趙輝

（天津理工大學(xué) 中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著高速度、大容量、小體積方向前進(jìn)，傳統(tǒng)的自底向上的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以適應(yīng)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。EDA是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，以EDA軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言（VHDL/Verilog HDL）為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以可編程邏輯器件（CPLD）為實(shí)驗(yàn)載體，以ASIC/SOC芯片為設(shè)計(jì)的目標(biāo)器件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術(shù)[1]。它是融合了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能化技術(shù)等最新成果而開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)，是一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。

1 EDA技術(shù)的發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段[2-5]。

1）20世紀(jì)70年代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （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(yīng)用，傳統(tǒng)的手工制圖制版設(shè)計(jì)與電路集成的方法已經(jīng)無(wú)法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度的要求。人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行電路原理圖編輯，PCB布局布線，使設(shè)計(jì)師從傳統(tǒng)高度重復(fù)、繁雜的繪圖勞動(dòng)中解脫出來(lái)。這一時(shí)期最具代表性的產(chǎn)品就是美國(guó)ACCEL公司開(kāi)發(fā)的Tango布線軟件。

2）20世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)輔助工程 （Computer Assist Engineering，CAE）階段

隨著計(jì)算機(jī)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了集成上萬(wàn)只晶體管的微處理器、集成幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)存儲(chǔ)單元的隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器以及可編程邏輯器件 （PAL和GAL）。EDA技術(shù)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)階段。具有自動(dòng)綜合能力的CAE工具代替了設(shè)計(jì)工程師的部分設(shè)計(jì)工作，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度和效率。設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)軟件工具來(lái)完成審批開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)、分析、生產(chǎn)、測(cè)試等各項(xiàng)工作，使設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品性能的分析前進(jìn)了一大步。

3）20世紀(jì)90年代的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 （Electronic Design Automation，EDA）階段

設(shè)計(jì)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，從使用硬件轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)硬件，從電路級(jí)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。硬件描述語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化以及基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大規(guī)模ASIC設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，使得EDA技術(shù)得到全新的發(fā)展。這一階段的主要特征是以高級(jí)硬件描述語(yǔ)言 （VHDL、AHDL或Verilog-HDL）、系統(tǒng)級(jí)仿真和綜合技術(shù)為特點(diǎn)，采 用“自頂向下”的設(shè) 計(jì) 理念，將設(shè)計(jì)前期的許多高層次設(shè)計(jì)由EDA工具來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化。

2 EDA技術(shù)的基本特征

EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：采用自頂向下的設(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，然后采用硬件描述語(yǔ)言完成系統(tǒng)行為級(jí)的設(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[6]。下面介紹EDA基本特征有關(guān)的幾個(gè)概念。

1）自頂向下的設(shè)計(jì)方法 EDA技術(shù)提供了一種自頂向下（Top Down）的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法是從系統(tǒng)的總體要求出發(fā)，自頂向下地逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，同時(shí)也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。

2）VHDL語(yǔ)言 VHDL（Very-high-speed integrated circuit hardware description language）是一種全方位的硬件描述語(yǔ)言，1987年被IEEE和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言[7]。它是一種用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它用軟件編程的方式來(lái)描述硬件系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，它包括系統(tǒng)行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和邏輯門級(jí)多個(gè)設(shè)計(jì)層次，支持結(jié)構(gòu)、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(yǔ)言的功能，整個(gè)自頂向下或自底向上的電路設(shè)計(jì)過(guò)程都可以用VHDL來(lái)完成。在電子工程領(lǐng)域，它承擔(dān)了幾乎全部數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) ，更適合大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3）CPLD 可編程邏輯器件 PLD （Programmable Logic Device）是一種由用戶編程以實(shí)現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件[8]。從20世紀(jì)70年代問(wèn)世后，可編程邏輯器件經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個(gè)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(dá)200萬(wàn)門/片，它將專用集成電路（ASIC）集成度高的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)結(jié)合在一起，以速度快、集成度高、可加密、重新定義編程、上萬(wàn)次的編程次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。CPLD/FPGA器件已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)載體。

3 使用EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面以Alter公司提供的Max+Plus II為平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器及其輸出顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器模塊和顯示模塊兩部分組成，電路的設(shè)計(jì)如下。

1）計(jì)數(shù)器模塊的設(shè)計(jì) 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)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(jìn)行源程序的編譯、仿真，得到圖1所示的仿真結(jié)果。最后生成默認(rèn)的計(jì)數(shù)器模塊電路符號(hào)CNT24。

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

①八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì) 八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸入為時(shí)鐘信號(hào)clk，輸出為從000到111按順序循環(huán)變化的3位二進(jìn)制碼，用來(lái)控制8位七段數(shù)碼管的顯示狀態(tài)，其VHDL程序如下：

圖1 計(jì)數(shù)器模塊仿真結(jié)果Fig.1 Simulation of counter module

圖2 顯示模塊的頂層原理圖Fig.2 Top schematic of display module

②選擇電路的設(shè)計(jì) 選擇電路以八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出sel作為選擇輸入信號(hào)，用來(lái)選擇二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊的輸出qh和ql，并將其轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 七段顯示譯碼電路將4位矢量轉(zhuǎn)換為點(diǎn)亮LED 7段顯示數(shù)碼管a～g的信號(hào)。其VHDL程序如下：

使用Max+Plus II的文本輸入方式分別完成八進(jìn)制計(jì)數(shù)器、選擇電路、七段顯示譯碼電路各部分程序的輸入，進(jìn)行編譯、仿真，最后生成各部分的默認(rèn)電路符號(hào)。然后在原理圖編輯器中調(diào)用各電路符號(hào)，按圖2所示完成顯示模塊原理圖的設(shè)計(jì)。對(duì)顯示模塊的原理圖進(jìn)行編譯，并生成默認(rèn)的顯示模塊電路符號(hào)display。

3）系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

二十四進(jìn)制計(jì)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(diào)用計(jì)數(shù)器模塊CNT24和顯示模塊display電路符號(hào)，完成其頂層原理圖的設(shè)計(jì)，如圖3所示。對(duì)該電路進(jìn)行編譯、仿真，得到圖4所示仿真結(jié)果。最后通過(guò)編程器或下載電纜將設(shè)計(jì)結(jié)果下載到目標(biāo)芯片CPLD中 ，連接硬件電路驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果符合功能要求。

圖3 系統(tǒng)電路頂層原理圖Fig.3 Top schematic of system circuit

圖4 系統(tǒng)電路的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation of system circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

EDA技術(shù)徹底改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)手段，使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐訴HDL語(yǔ)言為核心的編程設(shè)計(jì)，借助于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的VHDL語(yǔ)言和強(qiáng)大的EDA工具，使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得思路簡(jiǎn)單，功能明了。使用CPLD可以反復(fù)進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，降低了硬件電路的復(fù)雜程度，且設(shè)計(jì)電路的保密性強(qiáng) 。通過(guò)修改程序可方便地修改設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)的效率。

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