ＥＤＡ技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹ＥＤＡ技術(shù)在一個簡單的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用過程，詳細(xì)闡述了ＥＤＡ技術(shù)的基本特征和發(fā)展趨勢，揭示了其在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的重要地位及作用。

關(guān)鍵詞：ＥＤＡ ＡＳＩＣ ＰＬＤ ＦＰＬＤ ＶＨＤＬ 數(shù)字系統(tǒng) 自頂向下 并行工程 ＩＳＰ

二十世紀(jì)后半期，隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)也得到了飛速發(fā)展，其實現(xiàn)方法經(jīng)歷了由分立元件、ＳＳＩ、ＭＳＩ到ＬＳＩ、ＶＬＳＩ以及ＵＶＬＳＩ的過程。同時，為了提高系統(tǒng)的可靠性與通用性，微處理器和專用集成電路（ＡＳＩＣ）逐漸取代了通用全硬件ＬＳＩ電路，而在這二者中，ＡＳＩＣ以其體積小、重量輕、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脫穎而出。總的來說，ＡＳＩＣ的制作可粗略地分為掩膜方法和現(xiàn)場可編程方法兩大類。目前，業(yè)界大量可編程邏輯器件（ＰＬＤ），尤其是現(xiàn)場可編程邏輯器件（ＦＰＬＤ）被大量地應(yīng)用在ＡＳＩＣ的制作當(dāng)中。在可編程集成電路的開發(fā)過程中，電子設(shè)計自動化（ＥＤＡ）技術(shù)應(yīng)運而生。ＥＤＡ技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了一場革命性的變化，從某種角度來說，也成為其發(fā)展的必然。

１ ＥＤＡ技術(shù)的基本特征及發(fā)展

１.１ ＥＤＡ技術(shù)的基本概念

ＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）即電子設(shè)計自動化技術(shù)，是一種以計算機(jī)為基本工作平臺，利用計算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計算數(shù)學(xué)以至人工智能學(xué)等多種計算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的最新成果而開發(fā)出來的一整套軟件工具，是一種幫助電子設(shè)計工程師從事電子元件產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計的綜合技術(shù)。

１.２ ＥＤＡ技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢

ＥＤＡ技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個由淺到深的過程。二十世紀(jì)７０年代，隨著中小規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工制圖設(shè)計印刷電路板和集成電路的方法已無法滿足設(shè)計精度和效率的要求，因此工程師們開始進(jìn)行二維平面圖形的計算機(jī)輔助設(shè)計，以便解脫繁雜、機(jī)械的版圖設(shè)計工作，這就產(chǎn)生了第一代ＥＤＡ工具。

到了８０年代，為了適應(yīng)電子產(chǎn)品在規(guī)模和制作上的需要，應(yīng)運出現(xiàn)了以計算機(jī)仿真和自動布線為核心技術(shù)的第二代ＥＤＡ技術(shù)。其特點是以軟件工具為核心，通過這些軟件完成產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計、分析、生產(chǎn)、測試等各項工作。

９０年代后，ＥＤＡ技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了以高級語言描述、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(shù)為特征的第三代ＥＤＡ技術(shù)。它們的出現(xiàn)，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率，使廣大的電子設(shè)計師開始實現(xiàn)“概念驅(qū)動工程”的夢想。設(shè)計師們擺脫了大量的輔助設(shè)計工作，而把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，從而極大地提高了設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期。

由此可見，ＥＤＡ技術(shù)可以看作是電子ＣＡＤ的高級階段。ＥＤＡ工具的出現(xiàn)，給電子系統(tǒng)設(shè)計帶來了革命性的變化。隨著Ｉｎｔｅｌ公司Ｐｅｎｔｉｕｍ處理器的推出，Ｘｉｌｉｎｘ等公司幾十萬門規(guī)模的ＦＰＧＡ的上市，以及大規(guī)模的芯片組和高速、高密度印刷電路板的應(yīng)用，ＥＤＡ技術(shù)在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設(shè)計及操作平臺的擴(kuò)展等方面都面臨著新的巨大的挑戰(zhàn)。這些問題實際上也是新一代ＥＤＡ技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。

１.３ ＥＤＡ技術(shù)的基本特征和基本工具

總的來說，現(xiàn)代ＥＤＡ技術(shù)的基本特征是采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力。它主要采用并行工程和“自頂向下”的設(shè)計方法，使開發(fā)者從一開始就要考慮到產(chǎn)品生成周期的諸多方面，包括質(zhì)量、成本、開發(fā)時間及用戶的需求等等。然后從系統(tǒng)設(shè)計入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在方框圖一級進(jìn)行仿真、糾錯，并用ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＨＤＬ、ＡＢＥＬ等硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級進(jìn)行驗證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。近幾年來，硬件描述語言等設(shè)計數(shù)據(jù)格式的逐步標(biāo)準(zhǔn)化、不同設(shè)計風(fēng)格和應(yīng)用的要求導(dǎo)致各具特色的ＥＤＡ工具被集成在同一個工作站上，從而使ＥＤＡ框架日趨標(biāo)準(zhǔn)化。

ＥＤＡ工具的發(fā)展經(jīng)歷了兩個大的階段：物理工具和邏輯工具?，F(xiàn)在ＥＤＡ和系統(tǒng)設(shè)計工具正逐漸被理解成一個整體的概念：電子系統(tǒng)設(shè)計自動化。物理工具用來完成設(shè)計中的實際物理問題，如芯片布局、印刷電路板布線等等；邏輯工具是基于網(wǎng)表、布爾邏輯、傳輸時序等概念，首先由原理圖編輯器或硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計輸入，然后利用ＥＤＡ系統(tǒng)完成綜合、仿真、優(yōu)化等過程，最后生成物理工具可以接受的網(wǎng)表或ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＨＤＬ的結(jié)構(gòu)化描述。現(xiàn)在常見的ＥＤＡ工具有編輯器、仿真器、檢查／分析工具、優(yōu)化／綜合工具等等。

目前，ＰＬＤ已成為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要手段。傳統(tǒng)的編程技術(shù)是將ＰＬＤ器件插在編程器上進(jìn)行編程，而“在系統(tǒng)可編程”（ＩＳＰ，即Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）邏輯器件的問世，將可編程器件的優(yōu)越性發(fā)揮到了極致。它允許用戶“在系統(tǒng)中”編輯和修改邏輯，給使用者提供了在不修改系統(tǒng)硬件設(shè)計的條件下重構(gòu)系統(tǒng)的能力和硬件升級能力，使硬件修改變得象軟件修改一樣方便，系統(tǒng)的可靠性因此而提高。ＩＳＰ技術(shù)即直接在用戶設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上對ＰＬＤ器件進(jìn)行編程的技術(shù)，打破了使用ＰＬＤ必先編程后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，成為產(chǎn)品后還可反復(fù)編程，從而開創(chuàng)了數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)新的一頁。

下面，筆者即以基于Ｘｉｌｉｎｘ的ＣＰＬＤ器件ＸＣ９５１０８－７ＰＣ８４Ｃ和Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ２．１軟件平臺的一個簡單的四位扭環(huán)形計數(shù)器（即四位循環(huán)彩燈）的設(shè)計為例，談?wù)劊牛模良夹g(shù)在ＩＳＰ數(shù)字邏輯系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

２ ＥＤＡ技術(shù)在一個簡單的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的具體應(yīng)用

２.１ 設(shè)計要求

本系統(tǒng)要求設(shè)計一個四位扭環(huán)形計數(shù)器，時鐘上升沿觸發(fā)，可進(jìn)行復(fù)位（即清零）和時鐘使能控制，其結(jié)果要求通過四個一字排列的發(fā)光二極管顯示出來（構(gòu)成一種簡單的循環(huán)彩燈圖案），同時其輸出讀數(shù)（十六進(jìn)制）亦要求通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

２.２ 設(shè)計分析

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)可以通過四個帶時鐘使能和異步清零端的上升沿觸發(fā)的Ｄ觸發(fā)器來完成計數(shù)部分，且時鐘同步，若四位輸出的初始值為“００００”，則經(jīng)過８個時鐘脈沖激勵的輸出依次為：“０００１”（１）、“００１１”（３）、“０１１１”（７）、“１１１１”（Ｆ）、“１１１０”（Ｅ）、“１１００”（Ｃ）、“１０００”（８）、“００００”（０）。這些時刻的輸出，一方面將送至發(fā)光二極管進(jìn)行顯示；另一方面將送至數(shù)碼管的七個管腿，并通過七段共陰ＢＣＤ碼顯示譯碼器顯示該讀數(shù)?？偟倪壿嬁驁D如圖１所示。

２.３ 具體實現(xiàn)

經(jīng)過總體分析即“頂層”設(shè)計之后，就可以利用ＥＤＡ工具和ＩＳＰ技術(shù)“向下”進(jìn)行具體的模塊設(shè)計了。

２.３.１ 邏輯輸入

２.３.１.１ 計數(shù)器部分

ＥＤＡ工具的重要特征之一是支持多種輸入方式，如原理圖輸入方式、狀態(tài)機(jī)輸入方式、ＨＤＬ高級語言輸入方式等等。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ２．１軟件平臺對以上三種輸入方式都能很好地支持。此部分的設(shè)計即以原理圖輸入方式為例來實現(xiàn)。四位扭環(huán)形計數(shù)器原理圖如圖２所示。

２.３.１.２ 數(shù)碼管顯示部分

實質(zhì)上是設(shè)計一個４～７線的ＢＣＤ碼顯示譯碼器。此部分?jǐn)M用ＩＥＥＥ通用硬件描述語言ＶＨＤＬ來設(shè)計，完成編譯和綜合后即生成相應(yīng)的宏模塊設(shè)計代碼如下：

ｌｉｂｒａｒｙ ＩＥＥＥ；

ｕｓｅ ＩＥＥＥ．ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿１１６４．ａｌｌ；

ｅｎｔｉｔｙ ＨＥＸ２ＬＥＤ ｉｓ

ｐｏｒｔ （

ＨＥＸ： ｉｎ ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （３ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

ＬＥＤ ｏｕｔ ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （６ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

ｅｎｄ ＨＥＸ２ＬＥＤ；

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＨＥＸ２ＬＥＤ＿ａｒｃｈ ｏｆ ＨＥＸ２ＬＥＤ ｉｓ

ｂｅｇｉｎ

ｗｉｔｈ ＨＥＸ ＳＥＬｅｃｔ

ＬＥＤ＜＝“１１１１００１” ｗｈｅｎ “０００１”， －－１

“０１００１００” ｗｈｅｎ “００１０” －－２

“０１１００００” ｗｈｅｎ “００１１”－－３

“００１１００１” ｗｈｅｎ “０１００”－－４

“００１００１０” ｗｈｅｎ “０１０１”－－５

“０００００１０” ｗｈｅｎ “０１１０”－－６

“１１１１０００” ｗｈｅｎ “０１１１”－－７

“０００００００” ｗｈｅｎ “１０００”－－８

“００１００００” ｗｈｅｎ “１００１”－－９

“０００１０００” ｗｈｅｎ “１０１０”－－Ａ

“０００００１１” ｗｈｅｎ “１０１１”－－ｂ

“１０００１１０” ｗｈｅｎ “１１００”－－Ｃ

“０１００００１” ｗｈｅｎ “１１０１”－－ｄ

“００００１１０” ｗｈｅｎ “１１１０”－－Ｅ

“０００１１１０” ｗｈｅｎ “１１１１”－－Ｆ

“１００００００” ｗｈｅｎ ｏｔｈｅｒｓ－－０

ｅｎｄ ＨＥＸ２ＬＥＤ＿ａｒｃｈ；

２.３.１.３發(fā)光二極管顯示部分

發(fā)光管的顯示只需將Ｑ０～Ｑ３的輸出引線直接與四個并行排列的發(fā)光二極管管腳一一相連即可。

至此，各部分設(shè)計工作基本完成，我們只需將各個部分按連線規(guī)則嚴(yán)格進(jìn)行連接，定義好相應(yīng)的Ｉ／Ｏ管腳和信號線后，即可進(jìn)行邏輯實現(xiàn)與綜合了。

２.３.２ 邏輯實現(xiàn)與綜合

ＥＤＡ提供了良好的邏輯綜合與優(yōu)化功能，它能夠?qū)⒃O(shè)計人員設(shè)計的邏輯級電路圖自動地轉(zhuǎn)換為門級電路，并生成相應(yīng)的網(wǎng)表文件、時序分析文件和各種報表，若設(shè)計沒有錯誤，最終可生成可以編程下載的ＪＥＤ文件。

２.３.３ 系統(tǒng)仿真

通常，在正式下載前，設(shè)計人員還要對設(shè)計的電路進(jìn)行一些校驗工作，這些工作即可通過ＥＤＡ的功能仿真和時序仿真工具來完成。本系統(tǒng)在設(shè)定了ＣＬＫ、ＣＥ和ＣＬＲ信號的情況下，輸出ＱＯ～Ｑ３的功能仿真圖和時序仿真圖分別如圖３和圖４所示。由圖４可以看出，此設(shè)計的各信號的延遲在２ｎｓ左右，基本符合設(shè)計指標(biāo)要求。

２.３.４ 編程下載

當(dāng)設(shè)計人員確定設(shè)計工作已基本成功時，即可通過編程電纜下載數(shù)據(jù)流來進(jìn)行硬件驗證。驗證合格后，總體設(shè)計工作即圓滿完成。

通過此例的設(shè)計流程講述可知，ＥＤＡ技術(shù)及其工具在數(shù)字電路系統(tǒng)（包括模擬電路系統(tǒng)）中正發(fā)揮著越來越重要的作用，其應(yīng)用的深度和廣度正在向更深層次延伸。

目前，現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展使以現(xiàn)場可編程門陣列為代表的大容量可編程邏輯器件的等效門數(shù)迅速提高，其規(guī)模直逼標(biāo)準(zhǔn)門陣列，達(dá)到了系統(tǒng)集成的水平。特別是進(jìn)入二十世紀(jì)９０年代后，隨著ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等現(xiàn)場可編程邏輯器件的逐漸興起，ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ等通用性好、移植性強(qiáng)的硬件描述語言的普及，ＡＳＩＣ技術(shù)的不斷完善，ＥＤＡ技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)和微電子技術(shù)應(yīng)用中起著越來越重要的作用。從通常意義上來說，現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)再也離不開ＥＤＡ技術(shù)的幫助了。