EDA技术发展与应用

摘要：EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段。本文介绍了EDA技术的发展，基本特征及其开发设计流程。

关键词：EDA技术 FPGA/CPLD VHDL

随着计算机技术的出现及快速的更新与发展，以此为基础并且在其强劲的推动下电子技术得到了远超以往的飞速发展。如今，现代电子产品几乎渗透入了人类生产生活中的各个领域。由于其的高性能，大复杂程度，价格的相对低廉及较快的更新换代速度，使得人类社会达到了一个高度发达的信息化社会阶段，进一步的促进了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。

作为现代电子设计技术的核心，EDA（Electronic Design Automation）技术是以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑描述的主要表达方式，以可编程器件PLD（Programmable Logic Device）为实验载体，依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，自动的完成逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑综合，结构综合（布局布线）以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术的应用使得设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大的提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。

一、EDA技术的发展

回顾自20实际90年代初到如今近30年电子设计技术的发展历程，EDA工具的发展经历大致可划分为三个阶段：计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程（CAE）和电子设计自动化（EDA）。

1.计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）阶段。

20世纪70年代是EDA技术发展的初期阶段，人们开始使用计算机辅助进行IC版图编辑和PCB布局布线，使设计者从繁琐，重负的计算和绘图中解脱出来，由于PCB布局布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计工作有限且性能较差。

2.计算机辅助工程设计CAE（Computer Aided Engineering）阶段。

20世纪80年代为CAE阶段，此时EDA工具主要以逻辑模拟，定时分析，故障仿真，自动布局和布线为核心，如果说CAD工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，则CAE工具则代替了设计师的部分工作。然而，大部分从原理图出发的EDA工具仍不能满足复杂电子系统的设计要求。

3.电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）阶段。

20世界90年代，设计工程师逐步从使用硬件转向设计硬件，从单个电子产品开发转向系统级电子产品开发，即片上系统集成。这时的EDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。可以说，20世纪90年代EDA技术的发展是电子电路设计的革命。

二、EDA技术的特征

EDA技术代表了当今电子设计的最新发展方向，其基本特征是设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计与功能划分，系统的关键电路采用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现。然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器及适配器生成最终的目标期间，这种设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念。

1.“自顶向下”的设计方法

过去在较复杂的电子线路设计中，其基本思想是利用“自底向上”方法，用标准集成电路构造出一个新的系统，如同一砖一瓦构造金字塔，不仅效率低，成本高，而且容易出错。

“自顶向下”的设计方法则是从系统整体进行设计，从顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真，纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级经行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表。其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路．由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的。这不仅有利于早期发现结构设计上的错误。避免设计工作的浪费。而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。

2.ASIC设计

现代电子产品的复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuits)芯片进行设计。AS1C按照设计方法的不同可分为：全定制ASIC，半定制ASIC。可编程ASIC(@ ~可编程逻辑器件)。

设计全定制AS1C芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。优点是：芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。

半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。

3.硬件描述语言

硬件描述语言HDL（Hardware Description Language)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的没计。设计人员可以利用HDL语言来描述自己的设计思想，然后利用EDA工具进行仿真，综合到门级网表，最后由ASIC和FPGA实现其功能。

硬件描述语言是EDA技术的中的重要组成部分，发展至今已有几十年的历史，并且已经成功的应用到系统的仿真，验证和综合等方面。目前世界上已有上百种硬件描述语言，常用的硬件描述语言有AHDL,VHDL和Verilog HDL，其中VHDL和Verilog HDL是当前最流行并且已经成为IEEE标准的硬件描述语言。这两种硬件描述语言的同特点是可以形式化地抽象表示电路的结构与行为，支持逻辑设计中层次及领域的描述，可借用高级语言的精巧结构来简化电路的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，支持电路描述由高层到底层的综合转换，硬件描述与实现工艺无关，便于文档管理，易于理解和设计重用。同时VHDL与Verilog HDL又各自具有独自的特点。Verilog HDL非常容易学习理解，一般可在2～3个月掌握这种设计技术，较适合系统级，算法级，寄存器传输级，门级及开关级电路设计。简言之，Verilog HDL对电路底层细节的描述支持较好，较易控制综合后的电路结果。而相对的，VHDL虽然较难掌握，但其系统级硬件描述能力强，而且用户可自定义数据类型，设计灵活。缺点则是对电路细节的描述支持稍差。

4. 系统框架结构。

EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范，目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如Cadence公司的Design Framework，Mentor公司的Falcon Framework等，这些框架结构都遵守国际CFI组织(CAD Framework Initiative)制定的统一技术标准。Framework能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下。而且还支持任务之间，设计师之间在整个产品开发过程中实现信息的传输与共享，这是并行工程和Top—Down设计方法的实现基础。

三、基于EDA软件的FPGA/CPLD开发流程

（1）设计输入（原理图/HDL文本编辑）：利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本（HDL）或图形方式（原理图或状态图）表达出来。这是在EDA软件上对FPGA/CPLD开发的最初步骤（2）编译：完成设计描述后便可通过编译器进行排错，编译，变成特定的文本格式。为下一步的综合做准备。（3）综合：一般来说，综合是仅对HDL而言的。这是将软件设计与硬件的可实现性挂钩，将软件转化为硬件电路的关键步骤。综合后HDL综合器可生成ENIF、XNF或VHDL等标准格式的网表文件。其从门级开始描述了最基本的门电路结构。（4）行为仿真和功能仿真：利用产生的网表文件进行功能仿真。以便了解设计描述与设计意图的一致性（可省略此步骤）。（5）适配：适配器也称结构综合器，其功能是将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作。其中包括底层器件配置，逻辑分割，逻辑优化，布局布线。适配完成后，EDA软件将产生针对此项设计的适配报告和JED下载文件等多个结果。适配报告指明了芯片内资源的分配与利用，引脚锁定，设计的布尔方程描述情况。（6）功能仿真和时序仿真：在编程下载前必须利用EDA工具对适配生成的结果进行模拟测试。该仿真接近真实器件的运行状态，仿真过程中已考虑到器件的硬件特性，因此仿真精度要高得多。仿真是在EDA设计过程中的重要步骤。（7）编程下载：若以上的所有过程都没有发现问题，便可以将适配器产生的下载文件通过编程器或编程电缆载入目标芯片FPGA或CPLD中。（8）硬件仿真与测试：最后是将含有载入了设计的FPGA或CPLD的硬件系统进行统一测试，最终验证设计项目在目标系统上的实际工作情况，以排除错误，改进设计。

四、结束语

EDA技术是电子设计领域的一场革命。目前正处于高速发展阶段，每年都会有新的EDA工具问世。虽然EDA作为一套完整的电子技术设计系统较为复杂，但作为工具却十分方便于用户的使用。EDA工具大都采用系统级目标设计方法，具有良好的设计界面。可视化操作方法及系统框架结构使得设计者可以把精力主要放在概念设计等顶层设计上，而把大量的具体的层次化设计工作留给EDA系统去做。而我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家，因此广大电子工程人员应尽早掌握这一先进技术。这不仅是提高设计效率的需要。更是我国电子工业在世界市场上生存，竞争与发展的需要。

参考文献：

[1]江国强.EDA技术与应用（第三版）[M].电子工业出版社,2010.

[2]赵全利,秦春斌.EDA技术及应用教程[M].机械工业出版社,2009.

[3]潘松,黄继业.EDA技术实用教程（第三版）[M].科学出版社,2006