1、学好VHDL重要性n由于超大规模集成电路和软件技术的发展，使数字系统集成到一片集成电路内成为可能，Altera、xilinx、AMD等公司都推出了非常好的CPLD和FPGA产品，并为这些产品的设计配备了设计、下载软件，这些软件除了支持图形方式设计数字系统外，还支持设计多种数字系统的设计语言，使数字系统设计起来更加容易，可以说数字电子技术设计进入了一个新时代。n在小规模数字集成电路就要淘汰的今天，作为电类专业的学生应该熟悉VHDL语言和CPLD 、FPGA设计。n可见，使用VHDL语言将数字系统集成到一块集成电路是现代数字电子技术的重要内容。n集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电
2、路,他们都是数字集成电路。 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。 课程的性质3n在目前，可编程逻辑器件、单片机、DSP已经成为数字系统的硬件基础，而从事数字系统的设计必须掌握可编程逻辑器件的设计方法，而VHDL语言是一种标准的数字系统硬件电路设计语言，为所有可编程逻辑器件厂商所支持，已成为电路设计人员和电子设计工程师必须掌握的工具。VHDL语言是培养信息类专门人才的一门必修的专业基础课程。课程开设的目的n学习
3、和掌握现代电子系统设计的新技术、新器件 n掌握硬件描述语言VHDL的编程技术和硬件描述方法 ，能够对设计系统进行规范描述n掌握相关软件的使用，操作。能对VHDL语言程序进行编译，调试，以及通过计算机仿真，得到正确的仿真波形图，并根据所得仿真波形图分 析 判 断 并 改 进 所 设 计 的 电 路 。先修课程：n电路n模拟电子技术n数字电子技术 nC语言课程基本内容nEDA技术介绍n数字系统硬件设计概述nVHDL语言n基本数字电路设计举例n常用EDA软件使用课程考核n期末考试n平时成绩教材及参考资料教材及参考资料教材：教材： VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 侯伯亨 顾新 等编著 西安电子
4、科技大学出版社参考资料：参考资料： EDA技术及应用谭会生、张昌凡 编著 西安电子科技大学出版社 CPLD技术及其应用宋万杰 等编著 西安电子科大出版社出版 CPLD/FPGA的开发和应用徐光辉 等编著 电子工业出版社出版 第一讲第一讲 EDA技术概述技术概述1.1 EDA1.1 EDA技术及其发展技术及其发展 一、什么是一、什么是EDAEDA？ Electronic Design Automation 即电子设计自动化。 EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计,电子电路设计,PCB
5、设计。没有EDA技术的支持，想要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。二、二、EDAEDA技术发展的三个阶段：技术发展的三个阶段：回顾近40年电子设计技术的发展历程，可将EDA技术分为三个阶段。1 1、早期电子、早期电子CADCAD阶段阶段 20世纪70年代，属EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成布图布线等高度重复性的繁杂工作。 典型设计软件如Tango布线软件。 2 2、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程设计CAECAE阶段阶段 20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻辑器件（PAL_Pro
6、grammable Array Logic 和GAL_Generic Array Logic），相应的EDA开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。 80年代后期，EDA工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。 3 3、电子设计自动化、电子设计自动化(EDA)(EDA)阶段阶段 20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展，出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述能力的硬件描述语言(VHDL、Verilog HDL)及高性能综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即SOC_ System On a Chip：单片系统、或片上系统集成）。
7、 开始实现“概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE ）的梦想。现代的电子设计工程师，设计产品时候可以从概念角度出发，即提出设计的思想，剩下的就可以通过开发系统逐步完善和实现。n高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可
8、以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。 三、三、EDAEDA的广义定义范围包括的广义定义范围包括EDA技术在现代现代电子系统设计中得到广泛的应用。从EDA技术的各个角度，可以看出广泛定义范围包括：1、半导体工艺设计自动化；2、可编程器件设计自动化；3、电子系统设计自动化； 4、印刷电路板设计自动化；5、仿真与测试、故障诊断自动化；6、形式验证自动化。 以上各部分统称为EDA工程nPROTEL是20世纪80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选
9、软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。 印制电路板设计印制电路板设计EDAEDA工具工具 PROTEL PROTEL （回顾）（回顾）ProtelProtel主要功能主要功能 （回顾）（回顾）1.画出相对比较工整漂亮的原理图 2.生成可以用于工厂生产的PCB制板文件 3.生成元件清单，生成数控钻床用的钻孔定位文件，生成阻焊层文件，生成印刷字符层文件，等等等等。 PCB （回顾（回顾 ）n印刷电路板,一般被称为PCB“Printed c
10、ircuit board”的意思。不过一般没有安装器件的,也称做“印刷线路板Printed Wiring Board（PWB）”。 它一般是由基板(不导电材料)，布线层(用来连接电路的导电金属层,相当于导线)，阻焊层，丝网印字层，过孔以及焊盘等组成。 它基本的功能就是按照事先设计好的电路把器件固定及连接起来以实现某些功能。PCB有单面，双面和多层等几种，电路越复杂的，其层数就相应的越多。 几个有关几个有关EDAEDA的专题网站的专题网站 (1) EDA中心 (2) EDA中国门户网站 (3) 中国EDA工程网 (4) EDA爱好者 (5) EDA教学与研究 四、四、EDAEDA技术的狭义定义：
11、技术的狭义定义： 从可编程器件设计自动化和电子系统设计自动化角度，EDA技术的狭义定义如下：以大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程器件的开发软件开发软件及实验开实验开发系统发系统为设计工具，自动完成用软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门多学科融合的新技术。 一、传统设计方法：传统设计方法：自下而上（Bottom - up)的设计方法，是以
12、固定功能元件为基础，基于电路板的设计方法。完整系统构成固定功能元件电路板设计系统调试、测试与性能分析系统功能需求1.2 1.2 传统设计方法和传统设计方法和 EDAEDA方法的区别：方法的区别： 1. 设计依赖于设计师的经验。 2. 设计依赖于现有的通用元器件。 3. 设计后期的仿真不易实现和调试复杂。 4. 自下而上设计思想的局限。 5. 设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。 传统设计方法的缺点：传统设计方法的缺点： 二、二、 EDAEDA方法方法：设计思想不同： 自上而下（Top - Down)的设计方法。 自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大
13、，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。 自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。系统规格设计功能级描述、仿真模块划分、仿真逻辑综合、优化、布局布线定时仿真、定时检查输出门级网表ASIC芯片投片、PLD器件编程、测试ASIC:Application Specific Integrated Circuits, PLD: Programmable Logic DevicesEDA方法流程方法流程n与传统的基于电路板的设计方法不同，EDA技术是基于芯片的设计方法三、传统方法与三、传统方法与EDAEDA
14、方法比较：方法比较： 传统方法1.从下至上2.通用的逻辑元、器件3.系统硬件设计的后期 进行仿真和调试4.主要设计文件是电路原 理图 EDA方法1.自上至下2.可编程逻辑器件3.系统设计的早期进行仿 真和修改4.多种设计文件，发展趋 势以 HDL描述文件为主5.降低硬件电路设计难度 EDA技术极大地降低硬件电路设计难度，提高设计效率，是电子系统设计方法的质的飞跃。通用逻辑元器件举例（补充）n74系列集成电路大致可分为6大类： 74(标准型)； 74LS(低功耗肖特基)； 74S(肖特基)； 74ALS(先进低功耗肖特基)； 74AS(先进肖特基)； 74F(高速)。近年来还出现了高速CMOS电
15、路的74系列,该系列可分为3大类： HC为COMS工作电平； HCT为TTL工作电平,可与74LS系列互换使用； HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。n74LS138 3线至8线译码器n74HC148 8-3编码器 n74LS08 二输入与门n74LS191 十进制加减计数器n74LS194A 4位双向移位寄存器n74LS74 D型触发器通用逻辑元器件举例（补充） 除了74系列芯片外，还有54系列，4000系列，45系列芯片等等。1.3 EDA1.3 EDA技术的主要内容技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件 （PLD:Programmable Logic Device）描述方式：硬件描
16、述语言 （HDL:Hard descripation Lauguage) VHDL、Verlog HDL等设计工具：开发软件、开发系统硬件验证：实验开发系统 FPGA：Field Programmable Gates Array CPLD：Complex Programmable Logic Device 主流公司：Xilinx、Altera、Lattice FPGA/CPLD 显著优点： 开发周期短、投资风险小、产品上市速 度快、市场适应能力强、硬件修改升级方便。一、一、 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 三类器件的主要性能指标比较 ASIC：Application Specific
17、 Integrated Circuits指 标PLDASIC分离式逻辑速 度很好很好差集成度很好很好差价 格很好很好差开发时间很好差较好样品及仿真时间很好差差制造时间很好差较好使用的难易成度很好差较好库存风险很好差较好开发工具的支持很好很好差 VHDL：IEEE标准，系统级抽象描述能力较强。 Verilog: IEEE标准，门级开关电路描述能力较强。Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 美国电气和电子工程师协会 二、二、 硬件描述语言硬件描述语言 （HDL_Hardware Description Language）E
18、DA开发工具分为： 集成化的开发系统: 特定功能的开发软件：综合软件 仿真软件三、软件开发工具三、软件开发工具Altera 公司：Quartus、Maxplus系列Xilinx 公司：ISE、Foundation、 Aillance系列Lattice公司：ispDesignEXPERT 系列集成化的开发系统 综合类： Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro Synopsys公司的FPGAexpress、FPGA compiler Mentor公司的 LeonardoSpectrum 仿真类： Model Tech公司的Modelsim Aldec 公司的 Acti
19、ve HDL Cadence公司的NC-Verilog、NC-VHDL、NC-SIM 特定功能的开发软件 四、实验开发系统四、实验开发系统 J1 CPLD引出脚插座J2 CPLD引出脚插座时钟电路J4 JTAG编程接口J3外接电源插座J5 USB电源接口RS232接口JP实验跳线插座SW拨动开关K1K6按键L1L8发光管B1蜂鸣器CPLDU3数码管精品课件精品课件！精品课件精品课件！38掌握掌握EDA技技术有什么用术有什么用呢？呢？真有趣，可以按自己的想法设计一个芯片！真有趣，可以按自己的想法设计一个芯片！我要参加大学生电子我要参加大学生电子设计竞赛！设计竞赛！哇，毕业设计和做项目正好能用得上哎！哇，毕业设计和做项目正好能用得上哎！原来在一个芯片里就可以设计原来在一个芯片里就可以设计一个完整的计算机系统呀！一个完整的计算机系统呀！找工作也算得上一技之长哦！找工作也算得上一技之长哦！
