EDA在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）的迅猛發(fā)展，數(shù)字電路系統(tǒng)的發(fā)展也十分迅速。電子器件在最近幾十年經(jīng)歷了從小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）到大規(guī)模集成電路（LSI）以至超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展歷程。從簡(jiǎn)單可編程器件到高密度可編程器件，設(shè)計(jì)方法也在從根本上發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原來(lái)的手工設(shè)計(jì)到現(xiàn)在的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）設(shè)計(jì)。為了提高系統(tǒng)的可靠性與通用性，微處理器和專(zhuān)用集成電路（ASIC）逐漸取代了通用全硬件LSI電路，可編程邏輯器件（PLD）尤其是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD）被大量地應(yīng)用在ASIC的制作中，在可編程集成電路的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，EDA技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的革命性變化。

1 EDA技術(shù)的發(fā)展
 

　　EDA技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)（CAE）和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ESDA）三個(gè)發(fā)展階段。

　　20世紀(jì)70年代為CAD階段，這一階段人們開(kāi)始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布線，取代了手工操作。80年代為CAE階段，與CAD相比，除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)電氣連接網(wǎng)表將兩者結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)。90年代為ESDA階段， ESDA的基本特征是設(shè)計(jì)人員按“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵部分用一片或幾片專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。ESDA的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)師開(kāi)始實(shí)現(xiàn)“概念驅(qū)動(dòng)工程”的夢(mèng)想，從而擺脫了大量的輔助設(shè)計(jì)工作，把精力集中在創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，極大地提高了系統(tǒng)的效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期。

2 EDA技術(shù)的基本特征

　　EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)設(shè)計(jì)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工程是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)軟件、硬件、微電子交叉的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)學(xué)科，它是以EDA軟件工具為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以可編程器件為實(shí)驗(yàn)載體，以專(zhuān)用集成電路（ASIC）、片上系統(tǒng)（SOC）芯片為器件目標(biāo)，以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程[1]。利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。

　　現(xiàn)代EDA技術(shù)是采用高級(jí)語(yǔ)言描述，具有系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合能力，它主要采用并行工程（Concurrent Engineering）設(shè)計(jì)和自頂向下（Top-down）設(shè)計(jì)方法，其基本思想是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，分為行為描述、寄存器傳輸級(jí)描述、邏輯綜合三個(gè)層次，將設(shè)計(jì)內(nèi)容逐步細(xì)化，最后完成整體設(shè)計(jì)，這是一種全新的設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)理念。

3 EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

      進(jìn)入21世紀(jì)，全定制和定制專(zhuān)用集成電路正成為新的發(fā)展熱點(diǎn)，專(zhuān)用集成電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用必須依靠專(zhuān)門(mén)的EDA工具，因此EDA技術(shù)在功能仿真、時(shí)序分析、集成電路自動(dòng)測(cè)試、高速印刷電路板設(shè)計(jì)及操作平臺(tái)的擴(kuò)展等方面都面臨著新的巨大的挑戰(zhàn)。EDA技

      術(shù)目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的EDA工具問(wèn)世，我國(guó)EDA技術(shù)的應(yīng)用水平長(zhǎng)期落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，因此，廣大電子工程人員應(yīng)該盡早掌握這一先進(jìn)技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是我國(guó)電子工業(yè)在世界市場(chǎng)上生存、競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展的需要。

4 EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)流程

      EDA技術(shù)是將傳統(tǒng)的“電路設(shè)計(jì)——硬件搭試——調(diào)試焊接”模式變?yōu)?ldquo;功能設(shè)計(jì)——軟件模擬——編程下載”方式，設(shè)計(jì)人員只需一臺(tái)微機(jī)和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具即可研制出各種功能電路。EDA技術(shù)將電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)從軟件編譯、 邏輯化簡(jiǎn)、 邏輯綜合、 仿真優(yōu)化、 布局布線、 邏輯適配、 邏輯影射、 編程下載 、生成目標(biāo)系統(tǒng)的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)上自動(dòng)處理完成。具體流程如圖1所示：

      下面以Alter公司的可編程器件的開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+plusII為平臺(tái)，采用層次化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通信號(hào)燈的控制電路。

5 EDA技術(shù)的應(yīng)用

      設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通控制電路，通過(guò)紅（R）、黃（Y）、綠（G）燈控制東西和南北兩道交叉路口的交通，要求兩道的通行時(shí)間T1、T2，紅綠燈交替時(shí)間為T(mén)3。

      實(shí)現(xiàn)路口交通燈系統(tǒng)的控制方法很多，可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、可編程序控制器和單片機(jī)等方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這些控制方法的功能修改及調(diào)試需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。因此在設(shè)計(jì)中采用EDA技術(shù)中的VHDL硬件描述語(yǔ)言，以MAX+plusII開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合仿真，并下載到CPLD可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。

　　C1、C2、C3為各定時(shí)器的使能控制信號(hào)，W1、W2、W3為為各定時(shí)器的狀態(tài)信號(hào)，定時(shí)時(shí)間到輸出為1，定時(shí)時(shí)間未到輸出為0。該系統(tǒng)中的定時(shí)器可采用帶預(yù)置功能的減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，控制器可采用CPLD器件EPM7128系列芯片，秒脈沖信號(hào)CLK可由晶體振蕩器輸出經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生，當(dāng)精度和穩(wěn)定性要求不高時(shí)，可采用RC環(huán)形振蕩器，555定時(shí)器或其它電路產(chǎn)生。根據(jù)該系統(tǒng)的要求。

      控制器（control）和三個(gè)定時(shí)器（timer）均為VHDL描述，該源程序中三個(gè)定時(shí)器的功能完全一樣，只是工作的預(yù)置數(shù)不同，所以只定義一個(gè)實(shí)體[2]?？刂破骱投〞r(shí)器的源程序如下：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY control IS      —— 控制器實(shí)體說(shuō)明

 PORT(clk,reset,w1,w2,w3:IN STD_LOGIC);

END control;

ARCHITECTURE beh_control OF control IS   ——控制體結(jié)構(gòu)體

 TYPE state_type IS (S0,S1,S2,S3);

 SIGNAL state:state_type;

BEGIN

 PROCESS(clk,reset)

 BEGIN

  IF reset=’1’THEN

State<=S0;

 ELSIF(clk’EVENT AND clk=’1’)THEN

CASE state IS

  WHEN S0=>IF w1=’1’THEN

state<=S1;

END IF;

 WHEN S1=>IF w3=’1’THEN

 END IF;

 WHEN S2=>IF w2=’1’THEN

 state<=S3;

END IF;

WHEN S3=>IF w3=’1’THEN

state<=S0;

END IF;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

c1<=’1’WHEN state=S0 ELSE’0’;

c2<=’1’ WHEN state=S2 ELSE’0’;

c3<=’1’ WHEN(state=S1 OR state=S3)ELSE’0’;

r1<=’1’ WHEN(state=S2OR state=S3)ELSE’0’;

g1<=’1’ WHEN state=S0 ELSE’0’;

y1<=’1’ WHEN state=S1 ELSE’0’;

r2<=’1’ WHEN(state=S0 OR state=S1)ELSE’0’;

g2<=’1’ WHEN state=S2 ELSE’0’;

y2<=’1’ WHEN state=S3 ELSE’0’;

END beh_control;

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY timer IS               ——定時(shí)器實(shí)體說(shuō)明

PORT(clk,c:IN STD_LOGIC;

d:IN INTEGER RANGE 1TO 31;

w:OUT STD_LOGIC);

END timer;

ARCHITECTURE beh_timer OF timer IS   ——定時(shí)器結(jié)構(gòu)體

BEGIN

PROCESS(clk)

VARIABLE cnt: INTEGER RANGE 0 TO 31;

BEGIN

IF(clk=’1’)THEN

IF(c=’1’AND cnt>0)THEN

cnt:=cnt-1;

ELSE

cnt:=d;

END IF;

END IF;

IF cnt=0 THEN

w<=’1’;

 ELSE

w<=’0’;

END IF;

END PROCESS;

END beh_timer;

　　完成了上述兩個(gè)基本模塊，可以形成頂層文件，在MAX+plusII環(huán)境下進(jìn)行編譯和仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否正確，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要進(jìn)行修改，直到完全通過(guò)為止。當(dāng)設(shè)計(jì)人員確定設(shè)計(jì)工作已基本成功時(shí)，即可通過(guò)編程電纜下載數(shù)據(jù)流來(lái)進(jìn)行硬件驗(yàn)證。驗(yàn)證合格后，總體設(shè)計(jì)工作即圓滿(mǎn)結(jié)束。該系統(tǒng)在編寫(xiě)控制器的源程序時(shí)，有多種編寫(xiě)方法，以下是控制器的VHDL程序的另外兩種定義方法：

（1）       

…
ARCHITECTURE con1_arc OF con1 IS
SIGNAL current_state:state;
BEGIN
…

　　在進(jìn)行時(shí)序分析時(shí)，卻出現(xiàn)了不按設(shè)定的計(jì)數(shù)順序工作的結(jié)果：14，13，2，1，0… 經(jīng)過(guò)反復(fù)修改調(diào)試，對(duì)程序進(jìn)行修改，如（2）所示：

（2）

ARCHITECTURE con1_arc OF con1 IS
SIGNAL current_state:state;
SIGNAL TEMP_STATE:state；
...
TEMP STATE<=current_state;
BEGIN
...

　　在這種設(shè)計(jì)方法中，多定義了一個(gè)信號(hào)變量，從而使得程序能按設(shè)定的狀態(tài)14，13，12，11…進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　從上述可知：EDA技術(shù)的優(yōu)越性在于可以直接從程序中修改錯(cuò)誤及系統(tǒng)功能，而不需要硬件電路的支持， 即把后期進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)試轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之前在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的功能仿真和時(shí)序仿真。使系統(tǒng)的功能修改及調(diào)試比較方便、快捷、準(zhǔn)確，既縮短了研發(fā)周期，又大大節(jié)約了成本。

6 結(jié)語(yǔ)

　　電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入可以用原理圖、波形、VHDL語(yǔ)言等方式輸入，下載配置前的整個(gè)過(guò)程幾乎不涉及到整個(gè)硬件，而硬件設(shè)計(jì)的修改也如同修改軟件程序一樣快捷方便，即通過(guò)軟件方式的設(shè)計(jì)與測(cè)試，達(dá)到對(duì)特定功能的硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)采用自頂向下分層次、模塊化設(shè)計(jì)方法，先化整為零，再優(yōu)化綜合，靈活通用，已成為研制、開(kāi)發(fā)數(shù)字系統(tǒng)最理想的選擇，是現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)方法的一個(gè)趨勢(shì)，體現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)向軟件化方向發(fā)展的新思路。