基于EDA技術的數(shù)字系統(tǒng)設計

摘要：介紹了EDA(電子設計自動化)技術的發(fā)展過程和基本特征，然后以EDA技術作為開發(fā)手段，基于硬件描述語言VHDL，以可編程邏輯器件CPID為核心，實現(xiàn)了一個數(shù)字系統(tǒng)的設計。結果表明使用EDA技術進行數(shù)字系統(tǒng)設計可以大大地簡化硬件電路的結構，具有可靠性高，靈活性強等特點。
關鍵詞：EDA技術；硬件描述語言；可編程邏輯器件；數(shù)字系統(tǒng)設計

    隨著電子技術的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著高速度、大容量、小體積方向前進，傳統(tǒng)的自底向上的設計方法已經(jīng)難以適應電子系統(tǒng)的設計要求，因此，電子設計自動化(EDA)技術應運而生。EDA是以計算機為工作平臺，以EDA軟件為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言(VHDL／Verilog HDL)為設計語言，以可編程邏輯器件(CPLD)為實驗載體，以ASIC／SOC芯片為設計的目標器件，自動完成用軟件的方式設計電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術。它是融合了電子技術、計算機技術、信息處理技術、智能化技術等最新成果而開發(fā)的高新技術，是一種高級、快速、有效的電子設計自動化工具。

1 EDA技術的發(fā)展
    隨著計算機技術、集成電路技術、電子系統(tǒng)設計技術的發(fā)展，EDA技術的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段。
    1)20世紀70年代的計算機輔助設計(Computer Assist Design，CAD)階段
    隨著MOS工藝以及中、小規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和應用，傳統(tǒng)的手工制圖制版設計與電路集成的方法已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品設計精度的要求。人們開始利用計算機輔助進行電路原理圖編輯，PCB布局布線，使設計師從傳統(tǒng)高度重復、繁雜的繪圖勞動中解脫出來。這一時期最具代表性的產(chǎn)品就是美國ACCEL公司開發(fā)的Tango布線軟件。
    2)20世紀80年代的計算機輔助工程(Comouter Assist Engineering，CAE)階段
    隨著計算機和集成電路技術的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了集成上萬只晶體管的微處理器、集成幾十萬甚至上百萬存儲單元的隨機存儲器、只讀存儲器以及可編程邏輯器件(PAL和GAL)。EDA技術進入了計算機輔助工程設計階段。具有自動綜合能力的CAE工具代替了設計工程師的部分設計工作，提高了產(chǎn)品設計的精度和效率。設計工程師可以通過軟件工具來完成審批開發(fā)的設計、分析、生產(chǎn)、測試等各項工作，使設計階段對產(chǎn)品性能的分析前進了一大步。
    3)20世紀90年代的電子設計自動化(Electronic DesignAutomation，EDA)階段
    設計工程師在產(chǎn)品設計過程中，從使用硬件轉向設計硬件，從電路級電子產(chǎn)品開發(fā)轉向系統(tǒng)級電子產(chǎn)品開發(fā)。硬件描述語言的標準化以及基于計算機技術的大規(guī)模ASIC設計技術的應用，使得EDA技術得到全新的發(fā)展。這一階段的主要特征是以高級硬件描述語言(VHDL、AHDL或Verilog-HDL)、系統(tǒng)級仿真和綜合技術為特點，采用“自頂向下”的設計理念，將設計前期的許多高層次設計由EDA工具來完成，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)設計過程的自動化。

2 EDA技術的基本特征
    EDA技術代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：采用自頂向下的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，然后采用硬件描述語言完成系統(tǒng)行為級的設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。下面介紹EDA基本特征有關的幾個概念。
    1)自頂向下的設計方法EDA技術提供了一種自頂向下(Top Down)的設計方法。這種設計方法是從系統(tǒng)的總體要求出發(fā)，自頂向下地逐步將設計內容細化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設計。由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次上完成的，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，同時也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設計的一次成功率。
    2)VHDL語言VHDL(Very-high-speed integrated circuithardware description language)是一種全方位的硬件描述語言，1987年被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言。它是一種用于設計硬件電子系統(tǒng)的計算機語言，它用軟件編程的方式來描述硬件系統(tǒng)的邏輯功能、電路結構和連接形式，它包括系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次，支持結構、數(shù)據(jù)流、行為3種描述形式的混合描述，幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電路設計過程都可以用VHDL來完成。在電子工程領域，它承擔了幾乎全部數(shù)字系統(tǒng)的設計任務，更適合大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)的設計。
    3)CPLD可編程邏輯器件PLD(Programmable LogicDevice)是一種由用戶編程以實現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件。從20世紀70年代問世后，可編程邏輯器件經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發(fā)展階段。其中CPLD／FPGA屬于高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達200萬門／片，它將專用集成電路(ASIC)集成度高的優(yōu)點和可編程邏輯器件設計生產(chǎn)方便的特點結合在一起，以速度快、集成度高、可加密、重新定義編程、上萬次的編程次數(shù)等優(yōu)點得到廣泛應用。CPLD／FPGA器件已成為現(xiàn)代高層次電子設計方法的實現(xiàn)載體。

3 使用EDA技術的數(shù)字系統(tǒng)設計
    下面以Alter公司提供的Max+Plus II為平臺，設計一個二十四進制計數(shù)器及其輸出顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計數(shù)器模塊和顯示模塊兩部分組成，電路的設計如下。
    1)計數(shù)器模塊的設計  二十四進制計數(shù)器的設計采用VHDL語言編程來實現(xiàn)。其VHDL程序如下：
   
   
    使用Max+Plus II的文本輸入方式完成程序的輸入，進行源程序的編譯、仿真，得到圖1所示的仿真結果。最后生成默認的計數(shù)器模塊電路符號CNT24。

    2)顯示模塊的設計  顯示模塊的頂層原理圖如圖2所示。它由3部分組成：八進制計數(shù)器CNT8、選擇電路CHOOSE、七段顯示譯碼電路DELED。

    ①八進制計數(shù)器的設計 八進制計數(shù)器的輸入為時鐘信號clk，輸出為從000到111按順序循環(huán)變化的3位二進制碼，用來控制8位七段數(shù)碼管的顯示狀態(tài)，其VHDL程序如下：
   
    ②選擇電路的設計 選擇電路以八進制計數(shù)器的輸出sel作為選擇輸入信號，用來選擇二十四進制計數(shù)器模塊的輸出qh和ql，并將其轉換為4位矢量輸出。其VHDL程序如下：
   
   
    ③七段顯示譯碼電路的設計 七段顯示譯碼電路將4位矢量轉換為點亮LED 7段顯示數(shù)碼管a～g的信號。其VHDL程序如下：
   
   
    使用Max+Plus II的文本輸入方式分別完成八進制計數(shù)器、選擇電路、七段顯示譯碼電路各部分程序的輸入，進行編譯、仿真，最后生成各部分的默認電路符號。然后在原理圖編輯器中調用各電路符號，按圖2所示完成顯示模塊原理圖的設計。對顯示模塊的原理圖進行編譯，并生成默認的顯示模塊電路符號display。

    3)系統(tǒng)電路的設計  二十四進制計數(shù)器及顯示系統(tǒng)采用原理圖輸入方式完成，在原理圖編輯器中調用計數(shù)器模塊CNT24和顯示模塊displ ay電路符號，完成其頂層原理圖的設計，如圖3所示。對該電路進行編譯、仿真，得到圖4所示仿真結果。最后通過編程器或下載電纜將設計結果下載到目標芯片CPLD中，連接硬件電路驗證設計結果符合功能要求。

4 結束語
    EDA技術徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設計方法和實現(xiàn)手段，使電子系統(tǒng)的設計由硬件設計轉變?yōu)橐訴HDL語言為核心的編程設計，借助于國際標準的VHDL語言和強大的EDA工具，使電子系統(tǒng)的設計變得思路簡單，功能明了。使用CPLD可以反復進行硬件實驗，降低了硬件電路的復雜程度，且設計電路的保密性強。通過修改程序可方便地修改設計，提高了設計的靈活性，縮短了設計周期，提高設計的效率。