EDA技術(shù)與應(yīng)用課件

第1章緒論1.1EDA技術(shù)的涵義1.2EDA技術(shù)的發(fā)展歷程1.3EDA技術(shù)的主要內(nèi)容1.4EDA軟件系統(tǒng)的構(gòu)成1.5EDA工具的發(fā)展趨勢(shì)1.6EDA的工程設(shè)計(jì)流程1.7數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.8EDA技術(shù)的應(yīng)用展望

1.1EDA技術(shù)的涵義

什么叫EDA技術(shù)？由于它是一門迅速發(fā)展的新技術(shù)，涉及面廣，內(nèi)容豐富，理解各異，目前尚無(wú)統(tǒng)一的看法。作者認(rèn)為：EDA技術(shù)，就是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_(kāi)發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過(guò)有關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T新技術(shù)。

利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；②用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)完成的；③設(shè)計(jì)過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真；④系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程，在線升級(jí)；⑤整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低、可靠性高。因此，EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。1.2EDA技術(shù)的發(fā)展歷程EDA技術(shù)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)(ComputerAssistDesign，簡(jiǎn)稱CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)(ComputerAssistEngineeringDesign，簡(jiǎn)稱CAE)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(ElectronicDesignAutomation，簡(jiǎn)稱EDA)三個(gè)發(fā)展階段。

1.20世紀(jì)70年代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD階段早期的電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用的是分立元件，隨著集成電路的出現(xiàn)和應(yīng)用，硬件設(shè)計(jì)進(jìn)入到發(fā)展的初級(jí)階段。初級(jí)階段的硬件設(shè)計(jì)大量選用中小規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)集成電路，人們將這些器件焊接在電路板上，做成初級(jí)電子系統(tǒng)，對(duì)電子系統(tǒng)的調(diào)試是在組裝好的PCB(PrintedCircuitBoard)板上進(jìn)行的。

由于設(shè)計(jì)師對(duì)圖形符號(hào)使用數(shù)量有限，傳統(tǒng)的手工布圖方法無(wú)法滿足產(chǎn)品復(fù)雜性的要求，更不能滿足工作效率的要求。這時(shí)，人們開(kāi)始將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中高度重復(fù)性的繁雜勞動(dòng)，如布圖布線工作，用二維圖形編輯與分析的CAD工具替代，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。20世紀(jì)70年代，是EDA技術(shù)發(fā)展初期，由于PCB布圖布線工具受到計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)的制約，其支持的設(shè)計(jì)工作有限且性能比較差。

2.20世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)CAE階段初級(jí)階段的硬件設(shè)計(jì)是用大量不同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)芯片實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。隨著微電子工藝的發(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)直到上百萬(wàn)儲(chǔ)存單元的隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。此外，支持定制單元電路設(shè)計(jì)的硅編輯、掩膜編程的門陣列，如標(biāo)準(zhǔn)單元的半定制設(shè)計(jì)方法以及可編程邏輯器件(PAL和GAL)等一系列微結(jié)構(gòu)和微電子學(xué)的研究成果都為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新天地。因此，可以用少數(shù)幾種通用的標(biāo)準(zhǔn)芯片實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

伴隨計(jì)算機(jī)和集成電路的發(fā)展，EDA技術(shù)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)階段。20世紀(jì)80年代初，推出的EDA工具則以邏輯模擬、定時(shí)分析、故障仿真、自動(dòng)布局和布線為核心，重點(diǎn)解決電路設(shè)計(jì)沒(méi)有完成之前的功能檢測(cè)等問(wèn)題。利用這些工具，設(shè)計(jì)師能在產(chǎn)品制作之前預(yù)知產(chǎn)品的功能與性能，能生成產(chǎn)品制造文件，在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品性能的分析前進(jìn)了一大步。

如果說(shuō)20世紀(jì)70年代的自動(dòng)布局布線的CAD工具代替了設(shè)計(jì)工作中繪圖的重復(fù)勞動(dòng)，那么，到了20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的具有自動(dòng)綜合能力的CAE工具則代替了設(shè)計(jì)師的部分工作，對(duì)保證電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制造出最佳的電子產(chǎn)品起著關(guān)鍵的作用。到了20世紀(jì)80年代后期，EDA工具已經(jīng)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)描述、綜合與優(yōu)化和設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證，CAE階段的EDA工具不僅為成功開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件，而且為高級(jí)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性勞動(dòng)提供了方便。但是，大部分從原理圖出發(fā)的EDA工具仍然不能適應(yīng)復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，而具體化的元件圖形制約著優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.20世紀(jì)90年代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA階段為了滿足千差萬(wàn)別的系統(tǒng)用戶提出的設(shè)計(jì)要求，最好的辦法是由用戶自己設(shè)計(jì)芯片，讓他們把想設(shè)計(jì)的電路直接設(shè)計(jì)在自己的專用芯片上。微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可編程邏輯器件的發(fā)展，使得微電子廠家可以為用戶提供各種規(guī)模的可編程邏輯器件，使設(shè)計(jì)者通過(guò)設(shè)計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能。EDA工具的發(fā)展，又為設(shè)計(jì)師提供了全線EDA工具。這個(gè)階段發(fā)展起來(lái)的EDA工具，目的是在設(shè)計(jì)前期將設(shè)計(jì)師從事的許多高層次設(shè)計(jì)由工具來(lái)完成，如可以將用戶要求轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，有效的處理可用的設(shè)計(jì)資源與理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的矛盾，按具體的的硬件、軟件和算法分解設(shè)計(jì)等。由于電子技術(shù)和EDA工具的發(fā)展，設(shè)計(jì)師可以在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用EDA工具，通過(guò)一些簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，利用微電子廠家提供的設(shè)計(jì)庫(kù)來(lái)完成數(shù)萬(wàn)門ASIC和集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。20世紀(jì)90年代，設(shè)計(jì)師逐步從使用硬件轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)硬件，從單個(gè)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)(即片上系統(tǒng)集成，Systemonachip)。因此，EDA工具是以系統(tǒng)機(jī)設(shè)計(jì)為核心，包括系統(tǒng)行為級(jí)描述與結(jié)構(gòu)綜合，系統(tǒng)仿真與測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)劃分與指標(biāo)分配，系統(tǒng)決策與文件生成等一整套的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。這時(shí)的EDA工具不僅具有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，而且能提供獨(dú)立于工藝和廠家的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)能力，具有高級(jí)抽象的設(shè)計(jì)構(gòu)思手段。例如，提供方框圖、狀態(tài)圖和流程圖的編輯能力，具有適合層次描述和混合信號(hào)描述的硬件描述語(yǔ)言(如VHDL、AHDL或Verilog-HDL)，同時(shí)含有各種工藝的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)。

只有具備上述功能的EDA工具，才可能使電子系統(tǒng)工程師在不熟悉各種半導(dǎo)體工藝的情況下，完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。未來(lái)的EDA技術(shù)將向廣度和深度兩個(gè)方向發(fā)展，EDA將會(huì)超越電子設(shè)計(jì)的范疇進(jìn)入其他領(lǐng)域，隨著基于EDA的SOC(單片系統(tǒng))設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，軟硬核功能庫(kù)的建立，以及基于VHDL所謂自頂向下設(shè)計(jì)理念的確立，未來(lái)的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃將不再是電子工程師們的專利。有專家認(rèn)為，21世紀(jì)將是EDA技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期，并且EDA技術(shù)將是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生重大影響的十大技術(shù)之一。1.3EDA技術(shù)的主要內(nèi)容EDA技術(shù)涉及面廣，內(nèi)容豐富，從教學(xué)和實(shí)用的角度看，究竟應(yīng)掌握些什么內(nèi)容呢?

作者認(rèn)為，主要應(yīng)掌握如下四個(gè)方面的內(nèi)容：①大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷虎谟布枋稣Z(yǔ)言；③軟件開(kāi)發(fā)工具；④實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，硬件描述語(yǔ)言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，軟件開(kāi)發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具，實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)證工具。為了使讀者對(duì)EDA技術(shù)有一個(gè)總體印象，下面對(duì)EDA技術(shù)的主要內(nèi)容進(jìn)行概要的介紹。

1.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷删幊踢壿嬈骷?簡(jiǎn)稱PLD)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。FPGA和CPLD分別是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡(jiǎn)稱，現(xiàn)在，F(xiàn)PGA和CPLD器件的應(yīng)用已十分廣泛，它們將隨著EDA技術(shù)的發(fā)展而成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要角色。國(guó)際上生產(chǎn)FPGA/CPLD的主流公司，并且在國(guó)內(nèi)占有市場(chǎng)份額較大的主要是Xilinx，Altera，Lattice三家公司。Xilinx公司的FPGA器件有XC2000，XC3000，XC4000，XC4000E，XC4000XLA，XC5200系列等，可用門數(shù)為1200～18000；Altera公司的CPLD器件有FLEX6000，F(xiàn)LEX8000，F(xiàn)LEX10K，F(xiàn)LEX10KE系列等，提供門數(shù)為5000～25000；Lattice公司的ISP-PLD器件有ispLSI1000，ispLSI2000，ispLSI3000，ispLSI6000系列等，集成度可多達(dá)25000個(gè)PLD等效門。FPGA在結(jié)構(gòu)上主要分為三個(gè)部分，即可編程邏輯單元，可編程輸入/輸出單元和可編程連線三個(gè)部分。CPLD在結(jié)構(gòu)上主要包括三個(gè)部分，即可編程邏輯宏單元，可編程輸入/輸出單元和可編程內(nèi)部連線。高集成度、高速度和高可靠性是FPGA/CPLD最明顯的特點(diǎn)，其時(shí)鐘延時(shí)可小至ns級(jí)，結(jié)合其并行工作方式，在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，將不會(huì)存在類似于MCU的復(fù)位不可靠和PC可能跑飛等問(wèn)題。FPGA/CPLD的高可靠性還表現(xiàn)在幾乎可將整個(gè)系統(tǒng)下載于同一芯片中，實(shí)現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽。

由于FPGA/CPLD的集成規(guī)模非常大，可利用先進(jìn)的EDA工具進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。由于開(kāi)發(fā)工具的通用性、設(shè)計(jì)語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)計(jì)過(guò)程幾乎與所用器件的硬件結(jié)構(gòu)沒(méi)有關(guān)系，因而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成功的各類邏輯功能塊軟件有很好的兼容性和可移植性。它幾乎可用于任何型號(hào)和規(guī)模的FPGA/CPLD中，從而使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率大幅度提高。可以在很短時(shí)間內(nèi)完成十分復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這正是產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)最寶貴的特征。美國(guó)IT公司認(rèn)為，一個(gè)ASIC80%的功能可用于IP核等現(xiàn)成邏輯合成。而未來(lái)大系統(tǒng)的FPGA/CPLD設(shè)計(jì)僅僅是各類再應(yīng)用邏輯與IP核(Core)的拼裝，其設(shè)計(jì)周期將更短。

與ASIC設(shè)計(jì)相比，F(xiàn)PGA/CPLD顯著的優(yōu)勢(shì)是開(kāi)發(fā)周期短、投資風(fēng)險(xiǎn)小、產(chǎn)品上市速度快、市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)和硬件升級(jí)回旋余地大，而且當(dāng)產(chǎn)品定型和產(chǎn)量擴(kuò)大后，可將在生產(chǎn)中達(dá)到充分檢驗(yàn)的VHDL設(shè)計(jì)迅速實(shí)現(xiàn)ASIC投產(chǎn)。對(duì)于一個(gè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，究竟是選擇FPGA還是選擇CPLD呢?主要看開(kāi)發(fā)項(xiàng)目本身的需要。對(duì)于普通規(guī)模，且產(chǎn)量不是很大的產(chǎn)品項(xiàng)目，通常使用CPLD比較好。對(duì)于大規(guī)模的邏輯設(shè)計(jì)ASIC設(shè)計(jì)，或單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則多采用FPGA。另外，F(xiàn)PGA掉電后將丟失原有的邏輯信息，所以在實(shí)用中需要為FPGA芯片配置一個(gè)專用ROM。

2.硬件描述語(yǔ)言(HDL)

常用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL、Verilog、ABEL。

VHDL：作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。

Verilog：支持的EDA工具較多，適用于RTL級(jí)和門電路級(jí)的描述，其綜合過(guò)程較VHDL稍簡(jiǎn)單，但其在高級(jí)描述方面不如VHDL。

ABEL：一種支持各種不同輸入方式的HDL，被廣泛用于各種可編程邏輯器件的邏輯功能設(shè)計(jì)，由于其語(yǔ)言描述的獨(dú)立性，因而適用于各種不同規(guī)模的可編程器件的設(shè)計(jì)。有專家認(rèn)為，在新世紀(jì)中，VHDL與Verilog語(yǔ)言將承擔(dān)幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.軟件開(kāi)發(fā)工具目前比較流行的、主流廠家的EDA的軟件工具有Altera的MAX+plusII、Lattice的ispEXPERT、Xilinx的FoundationSeries。

MAX+plusII：支持原理圖、VHDL和Verilog語(yǔ)言文本文件，以及以波形與EDIF等格式的文件作為設(shè)計(jì)輸入，并支持這些文件的任意混合設(shè)計(jì)。它具有門級(jí)仿真器，可以進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，能夠產(chǎn)生精確的仿真結(jié)果。在適配之后，MAX+plusII生成供時(shí)序仿真用的EDIF、VHDL和Verilog這三種不同格式的網(wǎng)表文件，它界面友好，使用便捷，被譽(yù)為業(yè)界最易學(xué)易用的EDA的軟件，并支持主流的第三方EDA工具，支持除APEX20K系列之外的所有Altera公司的FPGA/CPLD大規(guī)模邏輯器件。ispEXPERT：ispEXPERTSystem是ispEXPERT的主要集成環(huán)境。通過(guò)它可以進(jìn)行VHDL、Verilog及ABEL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)輸入、綜合、適配、仿真和在系統(tǒng)下載。ispEXPERTSystem是目前流行的EDA軟件中最容量掌握的設(shè)計(jì)工具之一，它界面友好，操作方便，功能強(qiáng)大，并與第三方EDA工具兼容良好。

FoundationSeries：Xilinx公司最新集成開(kāi)發(fā)的EDA工具。它采用自動(dòng)化的、完整的集成設(shè)計(jì)環(huán)境。Foundation項(xiàng)目管理器集成了Xilinx實(shí)現(xiàn)工具，并包含了強(qiáng)大的SynopsysFPGAExpress綜合系統(tǒng)，是業(yè)界最強(qiáng)大的EDA設(shè)計(jì)工具之一。

4.實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供芯片下載電路及EDA實(shí)驗(yàn)/開(kāi)發(fā)的外圍資源(類似于用于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的仿真器)，供硬件驗(yàn)證用。一般包括：①實(shí)驗(yàn)或開(kāi)發(fā)所需的各類基本信號(hào)發(fā)生模塊，包括時(shí)鐘、脈沖、高低電平等；②FPGA/CPLD輸出信息顯示模塊，包括數(shù)碼顯示、發(fā)光管顯示、聲響指示等；③監(jiān)控程序模塊，提供“電路重構(gòu)軟配置”；④目標(biāo)芯片適配座以及上面的FPGA/CPLD目標(biāo)芯片和編程下載電路。目前從事EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)研究的院校有：清華大學(xué)，北京理工大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，東南大學(xué)，杭州電子工業(yè)學(xué)院等。1.4EDA軟件系統(tǒng)的構(gòu)成EDA技術(shù)研究的對(duì)象是電子設(shè)計(jì)的全過(guò)程，有系統(tǒng)級(jí)、電路級(jí)和物理級(jí)3個(gè)層次的設(shè)計(jì)。其涉及的電子系統(tǒng)從低頻、高頻到微波，從線性到非線性，從模擬到數(shù)字，從通用集成電路到專用集成電路構(gòu)造的電子系統(tǒng)，因此EDA技術(shù)研究的范疇相當(dāng)廣泛。如果從專用集成電路ASIC開(kāi)發(fā)與應(yīng)用角度看，EDA軟件系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含以下子模塊：設(shè)計(jì)輸入子模塊、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)子模塊、分析驗(yàn)證子模塊、綜合仿真子模塊、布局布線子模塊等。(1)設(shè)計(jì)輸入子模塊：該模塊接受用戶的設(shè)計(jì)描述，并進(jìn)行語(yǔ)義正確性、語(yǔ)法規(guī)則的檢查，檢查通過(guò)后，將用戶的設(shè)計(jì)描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為EDA軟件系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，存入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)被其他子模塊調(diào)用。設(shè)計(jì)輸入子模塊不僅能接受圖形描述輸入、硬件描述語(yǔ)言(HDL)描述輸入，還能接受圖文混合描述輸入。該子模塊一般包含針對(duì)不同描述方式的編輯器，如圖形編輯器、文本編輯器等，同時(shí)包含對(duì)應(yīng)的分析器。

(2)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)子模塊：該模塊存放系統(tǒng)提供的庫(kù)單元以及用戶的設(shè)計(jì)描述和中間設(shè)計(jì)結(jié)果。(3)分析驗(yàn)證子模塊：該模塊包括各個(gè)層次的模擬驗(yàn)證、設(shè)計(jì)規(guī)則的檢查、故障診斷等。

(4)綜合仿真子模塊：該模塊包括各個(gè)層次的綜合工具，理想的情況是：從高層次到低層次的綜合仿真全部由EDA工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。(5)布局布線子模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)由邏輯設(shè)計(jì)到物理實(shí)現(xiàn)的映射，因此與物理實(shí)現(xiàn)的方式密切相關(guān)。例如，最終的物理實(shí)現(xiàn)可以是門陣列、可編程邏輯器件等，由于對(duì)應(yīng)的器件不同，因此各自的布局布線工具會(huì)有很大的差異。近些年，許多生產(chǎn)可編程邏輯器件的公司都相繼推出適于開(kāi)發(fā)自己公司器件的EDA工具，這些工具一般都具有上面提到的各個(gè)模塊，操作簡(jiǎn)單，對(duì)硬件環(huán)境要求低，運(yùn)行平臺(tái)是PC機(jī)和Windows或WindowsNT操作系統(tǒng)。如Xilinx、Altera、Lattice、Actel、AMD等器件公司都有自己的EDA工具。EDA工具不只面向ASIC的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)，還有涉及電子設(shè)計(jì)各個(gè)方面的EDA工具，包括數(shù)字電路設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證等電子設(shè)計(jì)的許多領(lǐng)域。這些工具對(duì)硬件環(huán)境要求高，一般運(yùn)行平臺(tái)要求是工作站和UNIX操作系統(tǒng)，功能齊全、性能優(yōu)良，一般由專門開(kāi)發(fā)EDA軟件工具的軟件公司提供，如Cadence、MentelGraphics、Viewlogic、Synopsys等軟件公司都有其特色工具。

Viewlogic公司的EDA工具就有基本工具、系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具和ASIC/FPGA設(shè)計(jì)工具三大類20多個(gè)工具。

其中，基本工具包括：原理圖輸入工具ViewDraw，數(shù)字仿真器VeiwSim，波形編輯與顯示器ViewTrace，靜態(tài)時(shí)序分析工具M(jìn)otive，設(shè)計(jì)流程管理工具ViewFlow。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具包括：模擬電路仿真器ViewSpice，PLD開(kāi)發(fā)工具包ViewPLD，庫(kù)開(kāi)發(fā)工具ViewLibrarian，PCB信號(hào)串?dāng)_分析工具XTK，PCB布線前信號(hào)分析工具PDQ，電磁兼容設(shè)計(jì)工具QUIET，PCB版面規(guī)劃工具ViewFloorplanner。

ASIC/FPGA設(shè)計(jì)工具包括：VHDL仿真器SpeedWave，SpeedWaveVerilog仿真器VCS，邏輯綜合工具ViewSynthesis，自動(dòng)測(cè)試向量生成工具TestGen/Sunrise，原理圖自動(dòng)生成工具ViewGen，有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)工具ViewFSM，Datapath設(shè)計(jì)工具ViewDatapath，VHDL與Verilog混合仿真環(huán)境FusionHDL。1.5EDA工具的發(fā)展趨勢(shì)

1.設(shè)計(jì)輸入工具的發(fā)展趨勢(shì)早期EDA工具設(shè)計(jì)輸入普遍采用原理圖輸入方式，以文字和圖形作為設(shè)計(jì)載體和文件，將設(shè)計(jì)信息加載到后續(xù)的EDA工具，完成設(shè)計(jì)分析工作。原理圖輸入方式的優(yōu)點(diǎn)是直觀，能滿足以設(shè)計(jì)分析為主的一般要求，但是原理圖輸入方式不適合用EDA綜合工具。20世紀(jì)80年代末，電子設(shè)計(jì)開(kāi)始采用新的綜合工具，設(shè)計(jì)描述開(kāi)始由原理圖設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)向以各種硬件描述語(yǔ)言為主的編程方式。用硬件描述語(yǔ)言描述設(shè)計(jì)，更接近系統(tǒng)行為描述，且便于綜合，更適于傳遞和修改設(shè)計(jì)信息，還可以建立獨(dú)立于工藝的設(shè)計(jì)文件，不便之處是不太直觀，要求設(shè)計(jì)師學(xué)會(huì)編程。

很多電子設(shè)計(jì)師都具有原理圖設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，不具有編程經(jīng)驗(yàn)，所以仍然希望繼續(xù)在比較熟悉的符號(hào)與圖形環(huán)境中完成設(shè)計(jì)，而不是利用編程完成設(shè)計(jì)。為此，EDA公司在90年代相繼推出一批圖形化免編程的設(shè)計(jì)輸入工具，它們?cè)试S設(shè)計(jì)師用他們最方便并熟悉的設(shè)計(jì)方式，如框圖、狀態(tài)圖、真值表和邏輯方程建立設(shè)計(jì)文件，然后由EDA工具自動(dòng)生成綜合所需的硬件描述語(yǔ)言文件。

2.具有混合信號(hào)處理能力的EDA工具目前，數(shù)字電路設(shè)計(jì)的EDA工具遠(yuǎn)比模擬電路的EDA工具多，模擬集成電路EDA工具開(kāi)發(fā)的難度較大，但是，由于物理量本身多以模擬形式存在，所以實(shí)現(xiàn)高性能的復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開(kāi)模擬信號(hào)。因此，20世紀(jì)90年代以來(lái)EDA工具廠商都比較重視數(shù)/模混合信號(hào)設(shè)計(jì)工具的開(kāi)發(fā)。對(duì)數(shù)字信號(hào)的語(yǔ)言描述，IEEE已經(jīng)制定了VHDL標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模擬信號(hào)的語(yǔ)言正在制定AHDL標(biāo)準(zhǔn)，此外還提出了對(duì)微波信號(hào)的MHDL描述語(yǔ)言。具有混合信號(hào)設(shè)計(jì)能力的EDA工具能處理含有數(shù)字信號(hào)處理、專用集成電路宏單元、數(shù)模變換和模數(shù)變換模塊、各種壓控振蕩器在內(nèi)的混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。美國(guó)Cadence、Synopsys等公司開(kāi)發(fā)的EDA工具已經(jīng)具有混合設(shè)計(jì)能力。

3.更為有效的仿真工具的發(fā)展通常，可以將電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真過(guò)程分為兩個(gè)階段：設(shè)計(jì)前期的系統(tǒng)級(jí)仿真和設(shè)計(jì)過(guò)程的電路級(jí)仿真。系統(tǒng)級(jí)仿真主要驗(yàn)證系統(tǒng)的功能；電路級(jí)仿真主要驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，決定怎樣實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的精度。在整個(gè)電子設(shè)計(jì)過(guò)程中仿真是花費(fèi)時(shí)間最多的工作也是占用EDA工具資源最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。通常，設(shè)計(jì)活動(dòng)的大部分時(shí)間在做仿真，如驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性、測(cè)試設(shè)計(jì)的精度、處理和保證設(shè)計(jì)要求等。仿真過(guò)程中仿真收斂的快慢同樣是關(guān)鍵因素之一。提高仿真的有效性一方面是建立合理的仿真算法，另一方面是系統(tǒng)級(jí)仿真中系統(tǒng)級(jí)模型的建模，電路級(jí)仿真中電路級(jí)模型的建模。預(yù)計(jì)在下一代EDA工具中，仿真工具將有一個(gè)較大的發(fā)展。

4.更為理想的設(shè)計(jì)綜合工具的開(kāi)發(fā)今天，電子系統(tǒng)和電路的集成規(guī)模越來(lái)越大，幾乎不可能直接面向版圖做設(shè)計(jì)，若要找出版圖中的錯(cuò)誤，更是難上加難。將設(shè)計(jì)者的精力從繁瑣的版圖設(shè)計(jì)和分析中轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)前期的算法開(kāi)發(fā)和功能驗(yàn)證上，這是設(shè)計(jì)綜合工具要達(dá)到的目的。高層次設(shè)計(jì)綜合工具可以將低層次的硬件設(shè)計(jì)一起轉(zhuǎn)換到物理級(jí)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同層次的不同形式的設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)換，通過(guò)各種綜合算法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)所規(guī)定的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)然，設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)綜合中仍將起到重要的作用，自動(dòng)綜合工具將有效地提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

設(shè)計(jì)綜合工具由最初的只能實(shí)現(xiàn)邏輯綜合，逐步發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)前端的綜合，直到設(shè)計(jì)后端的版圖綜合以及測(cè)試綜合的理想且完整的綜合工具。設(shè)計(jì)前端的綜合工具，可以實(shí)現(xiàn)從算法級(jí)的行為描述到寄存器傳輸級(jí)結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換，給出滿足約束條件的硬件結(jié)構(gòu)。在確定寄存器傳輸結(jié)構(gòu)描述后，由邏輯綜合工具完成硬件的門級(jí)結(jié)構(gòu)的描述，邏輯綜合的結(jié)果將作為版圖綜合的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行版圖綜合。版圖綜合則是將門級(jí)和電路級(jí)的結(jié)構(gòu)描述轉(zhuǎn)換成物理版圖的描述，版圖綜合時(shí)將通過(guò)自動(dòng)交互的設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)按面積、速度和功率完成布局布線的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳的版圖設(shè)計(jì)。人們希望將設(shè)計(jì)測(cè)試工作盡可能地提前到設(shè)計(jì)前期，以便縮短設(shè)計(jì)周期，減少測(cè)試費(fèi)用，因此測(cè)試綜合貫穿在設(shè)計(jì)過(guò)程的始終。測(cè)試綜合時(shí)可以消除設(shè)計(jì)中的冗余邏輯，診斷不可測(cè)的邏輯結(jié)構(gòu)，自動(dòng)插入可測(cè)性結(jié)構(gòu)，生成測(cè)試向量；當(dāng)整個(gè)電路設(shè)計(jì)完成時(shí)，測(cè)試設(shè)計(jì)也隨之完成。

面對(duì)當(dāng)今飛速發(fā)展的電子產(chǎn)品市場(chǎng)，電子設(shè)計(jì)人員需要更加實(shí)用、快捷的EDA工具，使用統(tǒng)一的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，即優(yōu)先考慮具體物理實(shí)現(xiàn)方式，而將精力集中到設(shè)計(jì)構(gòu)思、方案比較和尋找優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，以最快的速度開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良、質(zhì)量一流的電子產(chǎn)品。今天的EDA工具將向著功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)、使用方便的方向發(fā)展。1.6EDA的工程設(shè)計(jì)流程

1.源程序的編輯和編譯利用EDA技術(shù)進(jìn)行一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，首先需利用EDA工具的文本編輯器或圖形編輯器將它用文本方式或圖形方式表達(dá)出來(lái)，進(jìn)行排錯(cuò)編譯，變成VHDL文件格式，為進(jìn)一步的邏輯綜合作準(zhǔn)備。常用的源程序輸入方式有三種。(1)原理圖輸入方式：利用EDA工具提供的圖形編輯器以原理圖的方式進(jìn)行輸入。原理圖輸入方式比較容易掌握，直觀且方便，所畫的電路原理圖(請(qǐng)注意，這種原理圖與利用Protel畫的原理圖有本質(zhì)的區(qū)別)與傳統(tǒng)的器件連接方式完全一樣，很容易被人接受，而且編輯器中有許多現(xiàn)成的單元器件可以利用，自己也可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)元件。然而原理圖輸入法的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也是它的缺點(diǎn)：①隨著設(shè)計(jì)規(guī)模增大，設(shè)計(jì)的易讀性迅速下降，對(duì)于圖中密密麻麻的電路連線，極難搞清電路的實(shí)際功能；②一旦完成，電路結(jié)構(gòu)的改變將十分困難，因而幾乎沒(méi)有可再利用的設(shè)計(jì)模塊；③移植困難、入檔困難、交流困難、設(shè)計(jì)交付困難，因?yàn)椴豢赡艽嬖谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的原理圖編輯器。圖1.1EDA工程設(shè)計(jì)流程圖(2)狀態(tài)圖輸入方式：以圖形的方式表示狀態(tài)圖進(jìn)行輸入。當(dāng)填好時(shí)鐘信號(hào)名、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件、狀態(tài)機(jī)類型等要素后，就可以自動(dòng)生成VHDL程序。這種設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)化了狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，比較流行。

(3)VHDL軟件程序的文本方式：最一般化、最具普遍性的輸入方法，任何支持VHDL的EDA工具都支持文本方式的編輯和編譯。

2.邏輯綜合和優(yōu)化欲把VHDL的軟件設(shè)計(jì)與硬件的可實(shí)現(xiàn)性掛鉤，需要利用EDA軟件系統(tǒng)的綜合器進(jìn)行邏輯綜合。綜合器的功能就是將設(shè)計(jì)者在EDA平臺(tái)上完成的針對(duì)某個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目的HDL、原理圖或狀態(tài)圖形的描述，針對(duì)給定硬件結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合，最終獲得門級(jí)電路甚至更底層的電路描述文件。由此可見(jiàn)，綜合器工作前，必須給定最后實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的功能就是將軟件描述與給定硬件結(jié)構(gòu)用某種網(wǎng)表文件的方式聯(lián)系起來(lái)。顯然，綜合器是軟件描述與硬件實(shí)現(xiàn)的一座橋梁。綜合過(guò)程就是將電路的高級(jí)語(yǔ)言描述轉(zhuǎn)換成低級(jí)的，可與FPGA/CPLD或構(gòu)成ASIC的門陣列基本結(jié)構(gòu)相映射的網(wǎng)表文件。

由于VHDL仿真器的行為仿真功能是面向高層次的系統(tǒng)仿真，只能對(duì)VHDL的系統(tǒng)描述作可行性的評(píng)估測(cè)試，不針對(duì)任何硬件系統(tǒng)，因此基于這一仿真層次的許多VHDL語(yǔ)句不能被綜合器所接受。這就是說(shuō)，這類語(yǔ)句的描述無(wú)法在硬件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)(至少是現(xiàn)階段)，這時(shí)，綜合器不支持的語(yǔ)句在綜合過(guò)程中將忽略掉。綜合器對(duì)源VHDL文件的綜合是針對(duì)某一PLD供應(yīng)商的產(chǎn)品系列的，因此，綜合后的結(jié)果是可以為硬件系統(tǒng)所接受，具有硬件可實(shí)現(xiàn)性。

3.目標(biāo)器件的布線/適配邏輯綜合通過(guò)后必須利用適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對(duì)某一具體的目標(biāo)器進(jìn)行邏輯映射操作，其中包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布線與操作，適配完成后可以利用適配所產(chǎn)生的仿真文件作精確的時(shí)序仿真。

適配器的功能是將由綜合器產(chǎn)生的網(wǎng)表文件配置于指定的目標(biāo)器件中，產(chǎn)生最終的下載文件，如JEDEC格式的文件。適配所選定的目標(biāo)器件(FPGA/CPLD芯片)必須屬于原綜合器指定的目標(biāo)器件系列。對(duì)于一般的可編程模擬器件所對(duì)應(yīng)的EDA軟件來(lái)說(shuō)，一般僅需包含一個(gè)適配器就可以了，如Lattice的PAC-DESIGNER。通常，EDA軟件中的綜合器可由專業(yè)的第三方EDA公司提供，而適配器則需由FPGA/CPLD供應(yīng)商自己提供，因?yàn)檫m配器的適配對(duì)象直接與器件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

4.目標(biāo)器件的編程/下載如果編譯、綜合、布線/適配和行為仿真、功能仿真、時(shí)序仿真等過(guò)程都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即滿足原設(shè)計(jì)的要求，則可以將由FPGA/CPLD布線/適配器產(chǎn)生的配置/下載文件通過(guò)編程器或下載電纜載入目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA或CPLD中。5.設(shè)計(jì)過(guò)程中的有關(guān)仿真在綜合以前可以先對(duì)VHDL所描述的內(nèi)容進(jìn)行行為仿真，即將VHDL設(shè)計(jì)源程序直接送到VHDL仿真器中仿真，這就是所謂的VHDL行為仿真。因?yàn)榇藭r(shí)的仿真只是根據(jù)VHDL的語(yǔ)義進(jìn)行的，與具體電路沒(méi)有關(guān)系。在這時(shí)的仿真中，可以充分發(fā)揮VHDL中的適用于仿真控制的語(yǔ)句及有關(guān)的預(yù)定義函數(shù)和庫(kù)文件。

在綜合之后，VHDL綜合器一般都可以生成一個(gè)VHDL網(wǎng)表文件。網(wǎng)表文件中描述的電路與生成的EDIF/XNF等網(wǎng)表文件一致。VHDL網(wǎng)表文件采用VHDL語(yǔ)法，只是其中的電路描述采用了結(jié)構(gòu)描述方法，即首先描述了最基本的門電路，然后將這些門電路用例化語(yǔ)句連接起來(lái)。這樣的VHDL網(wǎng)表文件再送到VHDL仿真器中進(jìn)行所謂功能仿真，仿真結(jié)果與門級(jí)仿真器所做的功能仿真的結(jié)果基本一致。

需要注意的是，圖1.1中有兩個(gè)仿真器，一是VHDL仿真器，另一個(gè)是門級(jí)仿真器，它們都能進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真。所不同的是仿真用的文件格式不同，即網(wǎng)表文件不同。這里所謂的網(wǎng)表(Netlist)，是特指電路網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)表文件描述了一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)。目前流行多種網(wǎng)表文件格式，其中最通用的是EDIF格式的網(wǎng)表文件，XilinxXNF網(wǎng)表文件格式也很流行，不過(guò)一般只在使用Xilinx的FPGA/CPLD時(shí)才會(huì)用到XNF格式。VHDL文件格式也可以用來(lái)描述電路網(wǎng)絡(luò)，即采用VHDL語(yǔ)法描述各級(jí)電路互連，稱之為VHDL網(wǎng)表。

功能仿真是僅對(duì)VHDL描述的邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，以了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求，仿真過(guò)程不涉及具體器件的硬件特性，如延時(shí)特性。時(shí)序仿真是接近真實(shí)器件運(yùn)行的仿真，仿真過(guò)程中已將器件特性考慮進(jìn)去了，因而，仿真精度要高得多。但時(shí)序仿真的仿真文件必須來(lái)自針對(duì)具體器件的布線/適配器所產(chǎn)生的仿真文件。綜合后所得的EDIF/XNF門級(jí)網(wǎng)表文件通常作為FPGA布線器或CPLD適配器的輸入文件。通過(guò)布線/適配的處理后，布線/適配器將生成一個(gè)VHDL網(wǎng)表文件，這個(gè)網(wǎng)表文件中包含了較為精確的延時(shí)信息，網(wǎng)表文件中描述的電路結(jié)構(gòu)與布線/適配后的結(jié)果是一致的。此時(shí)，將這個(gè)VHDL網(wǎng)表文件送到VHDL仿真器中進(jìn)行仿真，就可以得到精確的時(shí)序仿真結(jié)果了。

6.硬件仿真/硬件測(cè)試這里所謂的硬件仿真是針對(duì)ASIC設(shè)計(jì)而言的。在ASIC設(shè)計(jì)中，比較常用的方法是利用FPGA對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行功能檢測(cè)，通過(guò)后再將其VHDL設(shè)計(jì)以ASIC形式實(shí)現(xiàn)；而硬件測(cè)試則是針對(duì)FPGA或CPLD直接用于應(yīng)用系統(tǒng)的檢測(cè)而言的。

硬件仿真和硬件測(cè)試的目的，是為了在更真實(shí)的環(huán)境中檢驗(yàn)VHDL設(shè)計(jì)的運(yùn)行情況，特別是對(duì)于VHDL程序設(shè)計(jì)上不是十分規(guī)范、語(yǔ)義上含有一定歧義的程序。一般的仿真器包括VHDL行為仿真器和VHDL功能仿真器，它們對(duì)于同一VHDL設(shè)計(jì)的“理解”，即仿真模型的產(chǎn)生，與VHDL綜合器的“理解”，即綜合模型的產(chǎn)生，常常是不一致的。此外，由于目標(biāo)器件功能的可行性約束，綜合器對(duì)于設(shè)計(jì)的“理解”常在一有限范圍內(nèi)選擇，而VHDL仿真器的“理解”是純軟件行為，其“理解”的選擇范圍要寬得多，結(jié)果這種“理解”的偏差勢(shì)必導(dǎo)致仿真結(jié)果與綜合后實(shí)現(xiàn)的硬件電路在功能上的不一致。當(dāng)然，還有許多其他的因素也會(huì)產(chǎn)生這種不一致，由此可見(jiàn)，VHDL設(shè)計(jì)的硬件仿真和硬件測(cè)試是十分必要的。1.7數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.7.1數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型數(shù)字系統(tǒng)指的是交互式的、以離散形式表示的具有存儲(chǔ)、傳輸、信息處理能力的邏輯子系統(tǒng)的集合。用于描述數(shù)字系統(tǒng)的模型有多種，各種模型描述數(shù)字系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)不同。下面介紹一種普遍采用的模型。這種模型根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)的定義，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)模塊或兩個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，如圖1.2所示。圖1.2數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算和傳輸。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、數(shù)據(jù)選擇器等功能電路組成。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在控制子系統(tǒng)(或稱控制器)發(fā)出的控制信號(hào)作用下，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算等操作。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將接收由控制器發(fā)出的控制信號(hào)，同時(shí)將自己的操作進(jìn)程或操作結(jié)果作為條件信號(hào)傳送給控制器。應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能或算法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

控制子系統(tǒng)是執(zhí)行數(shù)字系統(tǒng)算法的核心，具有記憶功能，因此控制子系統(tǒng)是時(shí)序系統(tǒng)?？刂谱酉到y(tǒng)由組合邏輯電路和觸發(fā)器組成，與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)共用時(shí)鐘?？刂谱酉到y(tǒng)的輸入信號(hào)是外部控制信號(hào)和由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)送來(lái)的條件信號(hào)，按照數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求的算法流程，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生與狀態(tài)和條件信號(hào)相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)將控制數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的具體操作。應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)控制子系統(tǒng)。

把數(shù)字系統(tǒng)劃分成數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這只是一種手段，不是目的。它用來(lái)幫助設(shè)計(jì)者有層次地理解和處理問(wèn)題，進(jìn)而獲得清晰、完整正確的電路圖。因此，數(shù)字系統(tǒng)的劃分應(yīng)當(dāng)遵循自然、易于理解的原則。設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，采用該模型的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)把數(shù)字系統(tǒng)劃分為控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)兩個(gè)主要部分，使設(shè)計(jì)者面對(duì)的電路規(guī)模減小，二者可以分別設(shè)計(jì)。

(2)由于數(shù)字系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，將其獨(dú)立劃分出來(lái)后，可突出設(shè)計(jì)重點(diǎn)和分散設(shè)計(jì)難點(diǎn)。(3)當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)劃分為控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)后，邏輯分工清楚，各自的任務(wù)明確，這可以使電路的設(shè)計(jì)，調(diào)測(cè)和故障處理都比較方便。但采用該模型設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，必須先分析和找出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯的算法，根據(jù)具體的算法要求提出系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)要求，再根據(jù)各個(gè)部分分擔(dān)的任務(wù)劃分出控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。算法不同，系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)電路也不同。有時(shí)控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的界限劃分也比較困難，需要反復(fù)比較和調(diào)整才能確定。1.7.2數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多種方法，如模塊設(shè)計(jì)法、自頂向下設(shè)計(jì)法和自底向上設(shè)計(jì)法等。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用自頂向下、由粗到細(xì)、逐步求精的方法。自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個(gè)子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進(jìn)一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個(gè)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并便于邏輯電路級(jí)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為止。采用該方法設(shè)計(jì)時(shí)，高層設(shè)計(jì)進(jìn)行功能和接口描述，說(shuō)明模塊的功能和接口，模塊功能的更詳細(xì)的描述在下一設(shè)計(jì)層次說(shuō)明，最底層的設(shè)計(jì)才涉及具體的寄存器和邏輯門電路等實(shí)現(xiàn)方式的描述。

采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法有如下優(yōu)點(diǎn):(1)自頂向下設(shè)計(jì)方法是一種模塊化設(shè)計(jì)方法。對(duì)設(shè)計(jì)的描述從上到下逐步由粗略到詳細(xì)，符合常規(guī)的邏輯思維習(xí)慣。由于高層設(shè)計(jì)同器件無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)易于在各種集成電路工藝或可編程器件之間移植。(2)適合多個(gè)設(shè)計(jì)者同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多設(shè)計(jì)由一個(gè)設(shè)計(jì)者已無(wú)法完成，必須經(jīng)過(guò)多個(gè)設(shè)計(jì)者分工協(xié)作完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)的情況越來(lái)越多。在這種情況下，應(yīng)用自頂向下的設(shè)計(jì)方法便于由多個(gè)設(shè)計(jì)者同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行合理分配，用系統(tǒng)工程的方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行管理。針對(duì)具體的設(shè)計(jì)，實(shí)施自頂向下的設(shè)計(jì)方法的形式會(huì)有所不同，但均需遵循以下兩條原則：逐層分解功能，分層次進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)在各個(gè)設(shè)計(jì)層次上，考慮相應(yīng)的仿真驗(yàn)證問(wèn)題。1.7.3數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮多方面的條件和要求，如設(shè)計(jì)的功能和性能要求，元器件的資源分配和設(shè)計(jì)工具的可實(shí)現(xiàn)性，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本等。雖然具體設(shè)計(jì)的條件和要求千差萬(wàn)別，實(shí)現(xiàn)的方法也各不相同，但數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是具備一些共同的方法和準(zhǔn)則的。

1．分割準(zhǔn)則自頂向下的設(shè)計(jì)方法或其他層次化的設(shè)計(jì)方法，需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分割，然后用邏輯語(yǔ)言進(jìn)行描述。分割過(guò)程中，若分割過(guò)粗，則不易用邏輯語(yǔ)言表達(dá)；分割過(guò)細(xì)，則帶來(lái)不必要的重復(fù)和繁瑣。因此，分割的粗細(xì)需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)工具情況而定。掌握分割程度，可以遵循以下的原則：分割后最底層的邏輯塊應(yīng)適合用邏輯語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)；相似的功能應(yīng)該設(shè)計(jì)成共享的基本模塊；接口信號(hào)盡可能少；同層次的模塊之間，在資源和I/O分配上，盡可能平衡，以使結(jié)構(gòu)勻稱；?？斓膭澐趾驮O(shè)計(jì)，盡可能做到通用性好，易于移植。

2．系統(tǒng)的可觀測(cè)性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該同時(shí)考慮功能檢查和性能的測(cè)試，即系統(tǒng)觀測(cè)性的問(wèn)題。一些有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者會(huì)自覺(jué)地在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的同時(shí)設(shè)計(jì)觀測(cè)電路，即觀測(cè)器，指示系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)。建立觀測(cè)器，應(yīng)遵循以下原則：具有系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)，如時(shí)鐘、同步信號(hào)和狀態(tài)等信號(hào)；具有代表性的節(jié)點(diǎn)和線路上的信號(hào)；具備簡(jiǎn)單的“系統(tǒng)工作是否正?！钡呐袛嗄芰Α?/p>

3．同步和異步電路異步電路會(huì)造成較大延時(shí)和邏輯競(jìng)爭(zhēng)，容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而同步電路則是按照統(tǒng)一的時(shí)鐘工作，穩(wěn)定性好。因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用同步電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免使用異步電路。在必須使用異步電路時(shí)，應(yīng)采取措施來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)和增加穩(wěn)定性。

4．最優(yōu)化設(shè)計(jì)由于可編程器件的邏輯資源、連接資源和I/O資源有限，器件的速度和性能也是有限的，用器件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程相當(dāng)于求最優(yōu)解的過(guò)程。因此，需要給定兩個(gè)約束條件：邊界條件和最優(yōu)化目標(biāo)。所謂邊界條件，是指器件的資源及性能限制。最優(yōu)化目標(biāo)有多種，設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的最優(yōu)化目標(biāo)有：器件資源利用率最高；系統(tǒng)工作速度最快，即延時(shí)最??；布線最容易，即可實(shí)現(xiàn)性最好。具體設(shè)計(jì)中，各個(gè)最優(yōu)化目標(biāo)間可能會(huì)產(chǎn)生沖突，這時(shí)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的主要要求。

5．系統(tǒng)設(shè)計(jì)的藝術(shù)一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改、優(yōu)化才能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。一個(gè)好的設(shè)計(jì)，應(yīng)該滿足“和諧”的基本特征，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)可以根據(jù)以下幾點(diǎn)作出判斷：設(shè)計(jì)是否總體上流暢，無(wú)拖泥帶水的感覺(jué)；資源分配、I/O分配是否合理，是否沒(méi)有任何設(shè)計(jì)上和性能上的瓶頸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否協(xié)調(diào)；是否具有良好的可觀測(cè)性；是否易于修改和移植；器件的特點(diǎn)是否能得到充分的發(fā)揮。1.7.4數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

1．系統(tǒng)任務(wù)分析數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的第一步是明確系統(tǒng)的任務(wù)。在設(shè)計(jì)任務(wù)書中，可用各種方式提出對(duì)整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的邏輯要求，常用的方式有自然語(yǔ)言、邏輯流程圖、時(shí)序圖或幾種方法的結(jié)合。當(dāng)系統(tǒng)較大或邏輯關(guān)系較復(fù)雜時(shí)，系統(tǒng)任務(wù)(邏輯要求)邏輯的表述和理解都不是一件容易的工作。所以，分析系統(tǒng)的任務(wù)必須細(xì)致、全面，不能有理解上的偏差和疏漏。

2．確定邏輯算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯運(yùn)算的方法稱為邏輯算法，也簡(jiǎn)稱為算法。一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算往往有多種算法，設(shè)計(jì)者的任務(wù)不但是要找出各種算法，還必須比較優(yōu)劣，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從中確定最合理的一種。數(shù)字系統(tǒng)的算法是邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，算法不同，則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不同，算法的合理與否直接影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。確定算法是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最具創(chuàng)造性的一環(huán)，也是最難的一步。

3．建立系統(tǒng)及子系統(tǒng)模型當(dāng)算法明確后，應(yīng)根據(jù)算法構(gòu)造系統(tǒng)的硬件框架(也稱為系統(tǒng)框圖)，將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)部分，各部分分別承擔(dān)算法中不同的邏輯操作功能。如果某一部分的規(guī)模仍嫌大，則需進(jìn)一步劃分。劃分后的各個(gè)部分應(yīng)邏輯功能清楚，規(guī)模大小合適，便于進(jìn)行電路級(jí)的設(shè)計(jì)。

4．系統(tǒng)(或模塊)邏輯描述當(dāng)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)(指最低層子系統(tǒng))和模塊的邏輯功能和結(jié)構(gòu)確定后，則需采用比較規(guī)范的形式來(lái)描述系統(tǒng)的邏輯功能。設(shè)計(jì)方案的描述方法可以有多種，常用的有方框圖、流程圖和描述語(yǔ)言等。對(duì)系統(tǒng)的邏輯描述可先采用較粗略的邏輯流程圖，再將邏輯流程圖逐步細(xì)化為詳細(xì)邏輯流程圖，最后將詳細(xì)邏輯流程圖表示成與硬件有對(duì)應(yīng)關(guān)系的形式，為下一步的電路級(jí)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

5．邏輯電路級(jí)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真電路級(jí)設(shè)計(jì)是指選擇合理的器件和連接關(guān)系以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯要求。電路級(jí)設(shè)計(jì)的結(jié)果常采用兩種方式來(lái)表達(dá)：電路圖方式和硬件描述語(yǔ)言方式。EDA軟件允許以這兩種方式輸入，以便作后續(xù)的處理。當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成后必須驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確。在早期，只能通過(guò)搭試硬件電路才能得到設(shè)計(jì)的結(jié)果。目前，數(shù)字電路設(shè)計(jì)的EDA軟件都具有仿真功能，先通過(guò)系統(tǒng)仿真，當(dāng)系統(tǒng)仿真結(jié)果正確后再進(jìn)行實(shí)際電路的測(cè)試。由EDA軟件的驗(yàn)證結(jié)果十分接近實(shí)際結(jié)果，因此，可極大地提高電路設(shè)計(jì)的效率。

6．系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)是指用實(shí)際的器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用儀表測(cè)量設(shè)計(jì)的電路是否符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)往往采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，由于器件集成度高、導(dǎo)線密集，故一般在電路設(shè)計(jì)完成后即設(shè)計(jì)印刷電路板，在印刷電路板上組裝電路進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是，印刷電路板本身的物理特性也會(huì)影響電路的邏輯關(guān)系。1.8EDA技術(shù)的應(yīng)用展望

1.EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于高校電類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作中各種數(shù)字集成電路芯片，用VHDL語(yǔ)言可以進(jìn)行方便的描述，經(jīng)過(guò)生成元件后可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元件進(jìn)行調(diào)用。同時(shí)，借助于VHDL開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以進(jìn)行系統(tǒng)的功能仿真和時(shí)序仿真，借助于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以進(jìn)行硬件功能驗(yàn)證等，因而可大大地簡(jiǎn)化數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，并可根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)不受限制地開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，特別是數(shù)字系統(tǒng)性的課題，在EDA實(shí)驗(yàn)室不需添加任何新的東西，即可設(shè)計(jì)出各種比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，并且借助于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行硬件驗(yàn)證，如設(shè)計(jì)頻率計(jì)、交通控制燈、秒表等。自1997年全國(guó)第三屆電子技術(shù)設(shè)計(jì)競(jìng)賽采用FPGA/CPLD器件以來(lái)，F(xiàn)PGA/CPLD已得到了越來(lái)越多選手的利用，并且給定的課題如果不借助于FPGA/CPLD器件可能根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此EDA技術(shù)將成為各種電子技術(shù)設(shè)計(jì)競(jìng)賽選手必須掌握的基本技能與制勝的法寶。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)離不開(kāi)EDA技術(shù)，作為電類專業(yè)的畢業(yè)生，借助于EDA技術(shù)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中可以快速、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)各種高性能的電子系統(tǒng)，并且很容易實(shí)現(xiàn)、修改及完善。在整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)期間，我們可以分階段、分層次地對(duì)電類專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，使他們迅速掌握并有效利用這一新技術(shù)，同時(shí)還可大大地提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。

2.EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于科研工作和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中由于可編程邏輯器件性能價(jià)格比的不斷提高，開(kāi)發(fā)軟件功能的不斷完善，EDA技術(shù)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)具有用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件；設(shè)計(jì)過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真；系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程，在線升級(jí)；整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上等特點(diǎn)的利用，使其將廣泛應(yīng)用于科研工作和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作中。

3.EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于專用集成電路的開(kāi)發(fā)可編程器件制造廠家可按照一定的規(guī)格以通用器件大量生產(chǎn)，用戶可按通用器件從市場(chǎng)上選購(gòu)，然后按自己的要求通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)專用集成電路的功能。因此，對(duì)于集成電路制造技術(shù)與世界先進(jìn)的集成電路制造技術(shù)尚有一定差距的我國(guó)，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用集成電路，已成為相關(guān)專業(yè)人員的重要任務(wù)。

4.EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的升級(jí)換代和技術(shù)改造傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)，如果利用EDA技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或進(jìn)行技術(shù)改造，不但設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)成本低，而且將提高產(chǎn)品或設(shè)備的性能，縮小產(chǎn)品體積，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的附加值。第2章大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?.1可編程邏輯器件概述

2.2復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)

2.3現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)

2.4在系統(tǒng)可編程(ISP)邏輯器件

2.5FPGA和CPLD的開(kāi)發(fā)應(yīng)用選擇

2.1可編程邏輯器件概述2.1.1PLD的發(fā)展進(jìn)程最早的可編程邏輯器件出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，主要是可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)和可編程邏輯陣列(PLA)。20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)了可編程陣列邏輯(PAL—ProgrammableArrayLogic)器件。20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)Lattice公司推出了一種新型的PLD器件，稱為通用陣列邏輯(GAL-GenericArrayLogic)，一般認(rèn)為它是第二代PLD器件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，器件規(guī)模不斷擴(kuò)大，邏輯功能不斷增強(qiáng)，各種可編程邏輯器件如雨后春筍般地涌現(xiàn)，如PROM、EPROM、E2PROM等。

在EPROM基礎(chǔ)上出現(xiàn)的高密度可編程邏輯器件稱為EPLD或CPLD。現(xiàn)在一般把超過(guò)某一集成度的PLD器件都稱為CPLD。在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)Xilinx公司首先推出了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件。FPGA器件采用邏輯單元陣列結(jié)構(gòu)和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器工藝，設(shè)計(jì)靈活，集成度高，可無(wú)限次反復(fù)編程，并可現(xiàn)場(chǎng)模擬調(diào)試驗(yàn)證。在20世紀(jì)90年代初，Lattice公司又推出了在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路(ispLSI)。表2.1Altera系列產(chǎn)品主要性能

美國(guó)Xilinx公司在1985年推出了世界上第一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件，最初3個(gè)完整的系列產(chǎn)品分別命名為XC2000、XC3000和XC4000，共有19個(gè)品種，后又增加了低電壓(3.3V)的“L”系列、多I/O引腳的“H”系列及更高速的“A”系列，并推出了與XC3000兼容的XC3100/A系列，在XC4000的基礎(chǔ)上又增加了“E”和“EX”系列。在1995年，Xilinx又增加了XC5000、XC6200和XC8100FPGA系列，并取得了突破性進(jìn)展。而后又推出了Spartan和Virture系列。Xilinx還有3個(gè)EPLD系列產(chǎn)品：XC7200、XC7300和XC9500，如表2.2所示。表2.2Xilinx系列產(chǎn)品主要性能Lattice公司成立于1983年，是E2CMOS技術(shù)的開(kāi)拓者，發(fā)明了GAL器件，是低密度PLD的最大供應(yīng)商。該公司于20世紀(jì)90年代開(kāi)始進(jìn)入HDPLD領(lǐng)域，并推出了pLSI/ispLSI器件，實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)可編程技術(shù)(ISP)。ISP使用戶能夠在無(wú)須從系統(tǒng)板上拔下芯片或從系統(tǒng)中取出電路板的情況下，改變芯片的邏輯內(nèi)容乃至改變整個(gè)電子系統(tǒng)的功能。這種技術(shù)能大大縮短設(shè)計(jì)周期，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低設(shè)計(jì)成本。

Lattice公司目前的pLSI/ispLSI器件主要有6個(gè)系列：pLSI/ispLSI1000、2000、3000、5000、6000和8000系列，如表2.3所示。表2.3Lattice系列產(chǎn)品主要性能2.1.2PLD的種類及分類方法目前生產(chǎn)PLD的廠家有Xilinx、Altera、Actel、Atemel、AMD、AT&T、Cypress、Intel、Motorola、Quicklogic、TI(TexasInstrument)等。常見(jiàn)的PLD產(chǎn)品有：PROM、EPROM、EEPROM、PLA、FPLA、PAL、GAL、CPLD、EPLD、EEPLD、HDPLD、FPGA、pLSI、ispLSI、ispGAL和ispGDS等。PLD的分類方法較多，也不統(tǒng)一，下面簡(jiǎn)單介紹4種。1．從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度分類從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度上一般可將PLD分為簡(jiǎn)單PLD和復(fù)雜PLD(CPLD)，或分為低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)。通常，當(dāng)PLD中的等效門數(shù)超過(guò)500門時(shí)，則認(rèn)為它是高密度PLD。傳統(tǒng)的PAL和GAL是典型的低密度PLD，其余如EPLD、FPGA和pLSI/ispLSI則稱為HDPLD或CPLD。

2．從互連結(jié)構(gòu)上分類從互連結(jié)構(gòu)上可將PLD分為確定型和統(tǒng)計(jì)型兩類。確定型PLD提供的互連結(jié)構(gòu)每次用相同的互連線實(shí)現(xiàn)布線，所以，這類PLD的定時(shí)特性常?？梢詮臄?shù)據(jù)手冊(cè)上查閱而事先確定。這類PLD是由PROM結(jié)構(gòu)演變而來(lái)的，目前除了FPGA器件外，基本上都屬于這一類結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)型結(jié)構(gòu)是指設(shè)計(jì)系統(tǒng)每次執(zhí)行相同的功能，卻能給出不同的布線模式，一般無(wú)法確切地預(yù)知線路的延時(shí)。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須允許設(shè)計(jì)者提出約束條件，如關(guān)鍵路徑的延時(shí)和關(guān)聯(lián)信號(hào)的延時(shí)差等。這類器件的典型代表是FPGA系列。

3．從可編程特性上分類從可編程特性上可將PLD分為一次可編程和重復(fù)可編程兩類。一次可編程的典型產(chǎn)品是PROM、PAL和熔絲型FPGA，其他大多是重復(fù)可編程的。其中，用紫外線擦除的產(chǎn)品的編程次數(shù)一般在幾十次的量級(jí)，采用電擦除方式的產(chǎn)品的編程的次數(shù)稍多些，采用E2CMOS工藝的產(chǎn)品，擦寫次數(shù)可達(dá)上千次，而采用SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)結(jié)構(gòu)，則被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)無(wú)限次的編程。

4．從可編程器件的編程元件上分類最早的PLD器件(如PAL)大多是TTL工藝，但后來(lái)的PLD器件(如GAL、EPLD、FPGA及pLSI/ISP器件)都采用MOS工藝(如NMOS、CMOS、E2CMOS等)。目前，一般有下列5種編程元件：①熔絲型開(kāi)關(guān)(一次可編程，要求大電流)；②可編程低阻電路元件(多次可編程，要求中電壓)；③EPROM的編程元件(需要有石英窗口，紫外線擦除)；④EEPROM的編程元件；⑤基于SRAM的編程元件。2.2復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)2.2.1CPLD的基本結(jié)構(gòu)早期的CPLD主要用來(lái)替代PAL器件，所以其結(jié)構(gòu)與PAL、GAL基本相同，采用了可編程的與陣列和固定的或陣列結(jié)構(gòu)。再加上一個(gè)全局共享的可編程與陣列，把多個(gè)宏單元連接起來(lái)，并增加了I/O控制模塊的數(shù)量和功能?？梢园袰PLD的基本結(jié)構(gòu)看成由邏輯陣列宏單元和I/O控制模塊兩部分組成。

1．邏輯陣列宏單元在較早的CPLD中，由結(jié)構(gòu)相同的邏輯陣列組成宏單元模塊。一個(gè)邏輯陣列單元的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。輸入項(xiàng)由專用輸入端和I/O端組成，而來(lái)自I/O端口的輸入項(xiàng)，可通過(guò)I/O結(jié)構(gòu)控制模塊的反饋選擇，可以是I/O端信號(hào)的直接輸入，也可以是本單元輸出的內(nèi)部反饋。所有輸入項(xiàng)都經(jīng)過(guò)緩沖器驅(qū)動(dòng)，并輸出其輸入的原碼及補(bǔ)碼。圖2.1中所有豎線為邏輯單元陣列的輸入線，每個(gè)單元各有9條橫向線，稱為積項(xiàng)線(或稱為乘積項(xiàng))。在每條輸入線和積項(xiàng)線的交叉處設(shè)有一個(gè)EPROM單元進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)輸入項(xiàng)與乘積項(xiàng)的連接關(guān)系，這樣使得邏輯陣列中的與陣列是可編程的。其中，8條積項(xiàng)線用作或門的輸入，構(gòu)成一個(gè)具有８?jìng)€(gè)積項(xiàng)和的組合邏輯輸出；另一條積項(xiàng)線(OE線)連到本單元的三態(tài)輸出緩沖器的控制端，以I/O端作輸出、輸入或雙向輸出等工作方式。圖2.1邏輯陣列單元結(jié)構(gòu)圖

可以看出，早期CPLD中的邏輯陣列結(jié)構(gòu)與PAL、GAL中的結(jié)構(gòu)極為類似，只是用EPROM單元取代了PAL中的熔絲和GAL中的E2PROM單元。和GAL器件一樣，可實(shí)現(xiàn)擦除和再編程功能。在基本結(jié)構(gòu)中，每個(gè)或門有固定乘積項(xiàng)(8個(gè))，也就是說(shuō)，邏輯陣列單元中的或陣列是固定的、不可編程的，因而這種結(jié)構(gòu)的靈活性差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)際工作中常用到的組合邏輯，約有70%是只含3個(gè)乘積項(xiàng)及3個(gè)以下的積項(xiàng)和。另一方面，對(duì)遇到復(fù)雜的組合邏輯所需的乘積項(xiàng)可能超過(guò)8個(gè)，這又要用兩個(gè)或多個(gè)邏輯單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。器件的資源利用率不高。為此，目前的CPLD在邏輯陣列單元結(jié)構(gòu)方面作了很大改進(jìn)，下面討論幾種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式。1)乘積項(xiàng)數(shù)目不同的邏輯陣列單元圖2.2所示是一個(gè)具有12個(gè)專用輸入端和10個(gè)I/O端的CPLD，共有10個(gè)邏輯陣列單元，分成5個(gè)邏輯單元對(duì)，各對(duì)分別由不同數(shù)量的乘積項(xiàng)組成。由圖2.2可見(jiàn)，中間的邏輯單元對(duì)可實(shí)現(xiàn)16個(gè)積項(xiàng)和的組合邏輯輸出，最外側(cè)的邏輯單元對(duì)由8個(gè)乘積項(xiàng)組成，其余3對(duì)分別由10、12、14個(gè)乘積項(xiàng)組成，從而可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯功能。各邏輯單元中另有一條積項(xiàng)線作輸出三態(tài)緩沖器的控制。具有這種結(jié)構(gòu)的代表產(chǎn)品為Atmel公司的AT220V10Ａ器件。圖2.2積項(xiàng)線數(shù)不同的邏輯陣列單元2)具有兩個(gè)或項(xiàng)輸出的邏輯陣列單元圖2.3是具有兩個(gè)固定積項(xiàng)和輸出的CPLD的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見(jiàn)，每個(gè)單元中含有兩個(gè)或項(xiàng)輸出，而每個(gè)或項(xiàng)均有固定的4個(gè)乘積項(xiàng)輸入。為提高內(nèi)部各或項(xiàng)的利用率，每個(gè)或項(xiàng)的輸出均先送到一個(gè)由EPROM單元可編程控制的1分2選擇電路，即陣列單元中上面的或項(xiàng)輸出由選擇電路控制，既可輸送到本單元中第2級(jí)或門的輸入端，也可饋送到相鄰的下一個(gè)陣列單元第2級(jí)或門的輸入端；

同樣，陣列單元中下面的或項(xiàng)輸出由選擇電路控制，可直接送到本單元第2級(jí)或門的輸入端，也可饋送到相鄰的前一個(gè)陣列單元中的第2級(jí)或門輸入端，使本單元不用的或項(xiàng)放到另一單元中發(fā)揮其作用。因而每個(gè)邏輯陣列單元又可共享相鄰單元中的乘積項(xiàng)，使每個(gè)陣列可具有4、8、12和16四種組合的積項(xiàng)和輸出，甚至本單元中的兩個(gè)或項(xiàng)都可用于相鄰的兩個(gè)單元中。這樣，既提高了器件內(nèi)部各單元的利用率，又可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯功能。以這種邏輯單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的EPLD有Actel公司的EP512器件等。圖2.3具有兩個(gè)固定積項(xiàng)和輸出的結(jié)構(gòu)圖

在Atmel公司的ATV750等器件結(jié)構(gòu)調(diào)整中，每個(gè)邏輯單元中也含有兩個(gè)或項(xiàng)，但不同單元中構(gòu)成或項(xiàng)的積項(xiàng)數(shù)卻不同，它是分別由4、5、6、7和8個(gè)乘積項(xiàng)輸入到兩個(gè)或門所組成的５對(duì)陣列單元構(gòu)成的組合陣列。每個(gè)單元中的兩個(gè)或項(xiàng)輸出通過(guò)輸出邏輯模塊中的選擇電路控制，可實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的輸出，也可將兩個(gè)或項(xiàng)再“線或”起來(lái)實(shí)現(xiàn)功能更為復(fù)雜的組合邏輯輸出，但各個(gè)陣列單元中的或項(xiàng)不能為相鄰的陣列單元所共享。3)功能更多、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的邏輯陣列單元隨著集成規(guī)模和工藝水平的提高，出現(xiàn)了大批結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能更多的邏輯陣列單元形式。如Altera公司的EP1810器件采用了全局總線和局部總線相結(jié)合的可編程邏輯宏單元結(jié)構(gòu)：采用多陣列矩陣(MAX—MultipleArrayMatrix)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模CPLD器件，如Altera公司的EPM系列和Atmel公司的ATV5000系列器件；采用通用互連矩陣(UIM—UniversalInterconnectMatrix)及雙重邏輯功能塊結(jié)構(gòu)的邏輯陣列單元，如Xilinx公司的XC7000和XC9500系列產(chǎn)品。

2.I/O控制模塊

CPLD中的I/O控制模塊，根據(jù)器件的類型和功能不同，可有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上每個(gè)模塊都由輸出極性轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)器和輸出三態(tài)緩沖器三部分及與它們相關(guān)的選擇電路所組成。下面介紹在CPLD中廣泛采用的幾種I/O控制模塊。

1)與PAL器件相兼容的I/O模塊如圖2.4所示，可編程邏輯陣列中每個(gè)邏輯陣列邏輯單元的輸出都通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的I/O控制模塊接到I/O端，通過(guò)I/O控制模塊的選擇實(shí)現(xiàn)不同的輸出方式。根據(jù)編程選擇，各模塊可實(shí)現(xiàn)組合邏輯輸出和寄存器輸出方式。圖2.4與PAL兼容的CPLD的I/O控制模塊結(jié)構(gòu)2)與GAL器件相兼容的I/O模塊——輸出宏單元如圖2.5所示，從邏輯陣列單元輸出的積項(xiàng)和首先送到輸出宏單元(OMC—OutputMacroCell)的輸出極性選擇電路，由EPROM單元構(gòu)成的可編程控制位來(lái)選擇該輸出極性(原碼或它的補(bǔ)碼)。每個(gè)OMC中還有由EPROM單元構(gòu)成的兩個(gè)結(jié)構(gòu)控制位，根據(jù)構(gòu)形單元表，OMC可實(shí)現(xiàn)如圖2.6所示的4種不同的工作方式。圖2.5OMC結(jié)構(gòu)圖圖2.6OMC的4種不同的工作方式3)觸發(fā)器可編程的I/O模塊為了進(jìn)一步改善I/O控制模塊的功能，對(duì)I/O模塊中的觸發(fā)器電路進(jìn)行改進(jìn)并由EPROM單元進(jìn)行編程，可實(shí)現(xiàn)不同類型的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，即D、T、JK、RS等類型的觸發(fā)器，如圖2.7所示。這種改進(jìn)的I/O控制模塊，可組合成高達(dá)50種的電路結(jié)構(gòu)。圖2.7觸發(fā)器可編程的I/O控制模塊結(jié)構(gòu)4)具有兩路積項(xiàng)和輸入與兩個(gè)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的I/O控制模塊如圖2.8所示，模塊中兩個(gè)觸發(fā)器可獨(dú)立地反饋回邏輯陣列。由于這種結(jié)構(gòu)的靈活性，可使觸發(fā)器成為“內(nèi)藏(Burried)”工作方式，而且，它具有更多的觸發(fā)器，很容易實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)功能。圖2.8具有兩路積項(xiàng)和輸入與兩個(gè)觸發(fā)器的I/O控制模塊結(jié)構(gòu)5)具有三路積項(xiàng)和輸入與兩個(gè)觸發(fā)器的I/O控制模塊如圖2.9所示，每個(gè)I/O模塊可接受三路積項(xiàng)和輸入，每路各有4個(gè)乘積項(xiàng)。利用EPROM控制單元的編程，可實(shí)現(xiàn)下列功能：

(1)一路積項(xiàng)和的輸出直接饋送到I/O端，而另兩路積項(xiàng)和的輸出則分別饋送到兩個(gè)觸發(fā)器的輸入端D1和D2，它們的輸出均可為“內(nèi)藏”工作方式，通過(guò)編程控制可反饋到邏輯陣列總線中去。圖2.9具有三路積項(xiàng)和輸入與兩個(gè)觸發(fā)器的I/O控制模塊結(jié)構(gòu)(2)在實(shí)現(xiàn)組合邏輯輸出或寄存器方式輸出之前，三路和項(xiàng)還可以通過(guò)編程組合在一起，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)12個(gè)積項(xiàng)和的組合邏輯輸出或寄存器輸出。

(3)在組合邏輯輸出方式中，通過(guò)編程控制可實(shí)現(xiàn)4、8或12個(gè)積項(xiàng)和的組合邏輯輸出，而模塊中的中、下兩路和項(xiàng)仍可分別饋送到兩個(gè)觸發(fā)器的D1和D2端，它們的輸出Q1和Q2為“內(nèi)藏”工作方式，可通過(guò)編程反饋到邏輯陣列總線中去。

(4)在寄存器輸出方式中，上、中兩路組合成8個(gè)積項(xiàng)和自動(dòng)饋送到觸發(fā)器D1輸入端，而下路的和項(xiàng)除饋送到觸發(fā)器D2輸入端為“內(nèi)藏”工作方式外，還可與D1共享。(5)兩個(gè)觸發(fā)器均可有各自的異步復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)：AR1、CLK1和AR2、CLK2，它們由編程邏輯陣列中的4條積項(xiàng)線提供。

(6)輸出三態(tài)緩沖器的控制信號(hào)由來(lái)自編程邏輯陣列的一條積項(xiàng)線提供。

(7)當(dāng)I/O端作輸入端使用，或I/O模塊的輸出反饋到邏輯陣列總線中去時(shí)，均通過(guò)同一個(gè)反饋緩沖器輸出它們的同相和反相兩路信號(hào)，饋送到邏輯陣列總線中去，而兩個(gè)觸發(fā)器的輸出Q1和Q2則通過(guò)各自的反饋緩沖器，將它們的信號(hào)(同相及反相信號(hào))饋送到邏輯陣列總線中去。2.2.2Altera公司的器件產(chǎn)品

Altera公司的產(chǎn)品在我國(guó)有較多的用戶，如EP220、EP224、EP6010、EP1810等經(jīng)典產(chǎn)品應(yīng)用頗廣。后來(lái)推出的EPM系列和EPF系列的集成度更是大大提高，品種多樣，性能優(yōu)越。

Altera公司提供了7種通用PLD系列產(chǎn)品：FLEX10K、FLEX8000、MAX9000、MAX7000、FLASHlogic、MAX5000和Classic。FLEX(FlexibleLogicElementMatriX)結(jié)構(gòu)使用查找表(LUT—LookUpTable)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能，而多陣列矩陣(MAX—MutipleArrayMatriX)、FLASHlogic和經(jīng)典系列，采用可編程“與”/固定“或”乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)。所有Altera器件系列都使用CMOS處理工藝，它比雙極性工藝具有更低的功耗和更高的可靠性。

1．FLEX10K系列器件

FLEX10K系列器件是高密度陣列嵌入式可編程邏輯器件系列。這類器件最大可達(dá)10萬(wàn)個(gè)典型門，5392個(gè)寄存器；采用0.5μmCMOSSRAM工藝制造；具有在系統(tǒng)可配置特性；在所有I/O端口中有輸入/輸出寄存器；3.3V或5.0V工作模式；由Altera公司的MAX+plusⅡ開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供軟件支持，可在PC機(jī)或工作站上運(yùn)行。為了增加邏輯系統(tǒng)要求的集成度，可編程邏輯不僅要增加密度，而且要有效地實(shí)現(xiàn)大量的邏輯電路。FLEX10K系列以工業(yè)上最大的PLD為特征(達(dá)到10萬(wàn)門)，包括嵌入式陣列、多組低時(shí)延時(shí)鐘和內(nèi)部三態(tài)總線等結(jié)構(gòu)特性，提供了復(fù)雜邏輯設(shè)計(jì)所需的性能和利用主系統(tǒng)級(jí)集成的要求。FLEX10K器件可理想地用于復(fù)雜門陣列的各種場(chǎng)合，其特性如表2.4所示。表2.4FLEX10K(EPF10K10~10K100)器件特性FLEX10K器件的結(jié)構(gòu)類似于嵌入式門陣列。由于有標(biāo)準(zhǔn)的門陣列，嵌入式門陣列在通用的門海結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)一般邏輯。除此之外，嵌入式門陣列有專門的芯片面積以實(shí)現(xiàn)大的專用功能。嵌入式門陣列在減少芯片面積的同時(shí)具有比標(biāo)準(zhǔn)門陣列更快的速度，這是通過(guò)嵌入在硅里的函數(shù)完成的。然而嵌入的宏函數(shù)不能被用戶化，限制了設(shè)計(jì)者的選項(xiàng)。相比之下，F(xiàn)LEX10K器件是可編程的，在調(diào)試時(shí)，給設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)重復(fù)設(shè)計(jì)改變過(guò)程中對(duì)嵌入宏函數(shù)和一般邏輯的完全控制。

每個(gè)FLEX10K器件包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和專用邏輯功能的嵌入陣列和一個(gè)實(shí)現(xiàn)一般邏輯的邏輯陣列。嵌入陣列和邏輯陣列的結(jié)合提供了嵌入式門陣列的高性能和高密度，可以使設(shè)計(jì)者在某個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)。嵌入陣列由一系列嵌入陣列塊(EAB)構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能時(shí)，每個(gè)EAB提供2048比特，可以用來(lái)完成RAM、ROM、雙口RAM或者FIF