淺談EDA技術(shù)及應(yīng)用的教學(xué)

摘要:本文簡要地介紹了EDA技術(shù)的特點(diǎn)，用EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，實(shí)現(xiàn)一個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用了頂層圖形設(shè)計(jì)思想，基于硬件描述語言，以可編程器件為核心，具有體積小、可靠性高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，并簡要地比較了EDA技術(shù)與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的差異，總結(jié)出EDA技術(shù)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:EDA數(shù)字系統(tǒng);CPLD;VHDL

電子設(shè)計(jì)的必由之路是數(shù)字化，這已成為共識。在數(shù)字化的道路上，我國的電子技術(shù)經(jīng)歷了一系列重大的變革，從應(yīng)用小規(guī)模集成電路構(gòu)成電路系統(tǒng)，到廣泛地應(yīng)用微控制器或單片機(jī)(MCU)，在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上發(fā)生了具有里程碑意義的飛躍。實(shí)現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)芯片CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)，必將成為今后電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個發(fā)展方向。所以說，電子設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展到今天，又將面臨另一次更大意義的突破:FPGA在EDA廣泛應(yīng)用。

一、 EDA技術(shù)的基本知識

(1)EDA技術(shù)的概念。EDA是電子設(shè)計(jì)自動Electronic Design Automation的縮寫。由于它是一門剛剛發(fā)展起來的新技術(shù)，涉及面廣，內(nèi)容豐富，理解各異，所以目前尚無一個確切的定義。但從EDA技術(shù)的幾個主要方面的內(nèi)容來看，可以理解為:EDA技術(shù)是以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過有關(guān)的開發(fā)軟件，自動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)。可以實(shí)現(xiàn)邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化，邏輯布局布線、邏輯仿真，完成對于特定目標(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DA技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)展起來的，至今已有三十多年的歷程，大致可以分為三個發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))階段:這一階段的主要特征是利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行電路原理圖編輯，PCB自動布線，使得設(shè)計(jì)師從傳統(tǒng)高度重復(fù)繁雜的繪圖勞動中解脫出來。20世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)階段:這一階段的主要特征是以邏輯模擬、定時分析、故障仿真、自動布局布線為核心，重點(diǎn)解決電路設(shè)計(jì)的功能檢測等問題，使設(shè)計(jì)能在產(chǎn)品制作之前預(yù)知產(chǎn)品的功能與性能。20世紀(jì)90年代是EDA(電子設(shè)計(jì)自動化)階段:這一階段的主要特征是以高級描述語言、系統(tǒng)級仿真和綜合技術(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工具來完成。EDA是電子技術(shù)設(shè)計(jì)自動化，也就是能夠幫助人們設(shè)計(jì)電子電路或系統(tǒng)的軟件工具。該工具可以在電子產(chǎn)品的各個設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用，使設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路和系統(tǒng)成為可能。在原理圖設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中的仿真工具論證設(shè)計(jì)的正確性;在芯片設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中的芯片設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)制作芯片的版圖:在電路板設(shè)計(jì)階段，可以使用EDA中電路板設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)多層電路板。特別是支持硬件描述語言的EDA工具的出現(xiàn)，使復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動化成為可能，只要用硬件描述語言將數(shù)字系統(tǒng)的行為描述正確，就可以進(jìn)行該數(shù)字系統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)與制造。有專家認(rèn)為，21世紀(jì)將是四A技術(shù)的高速發(fā)展期，EDA技術(shù)將是對21世紀(jì)產(chǎn)生重大影響的十大技術(shù)之一。

(2)硬件描述語言。硬件描述語言(VHDL)是一種用于進(jìn)行電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)高級語言，它采用軟件的設(shè)計(jì)方法來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。VHDL語言是一種高級描述語言，已得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，它們已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言，承擔(dān)幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。應(yīng)用VHDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):①與其他硬件描述語言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。②VHDL具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能檢查設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，并可以隨時對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。③VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)，決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和對已有設(shè)計(jì)的再利用功能。④用VHDL完成的設(shè)計(jì)，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并可根據(jù)不同的目標(biāo)芯片自動把VHDL描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表，這種設(shè)計(jì)方式極大地減少了電路設(shè)計(jì)的時間及可能發(fā)生的錯誤，從而降低了開發(fā)成本。⑤VHDL對設(shè)計(jì)的描述具有相對獨(dú)立性，可以在設(shè)計(jì)者不懂硬件結(jié)構(gòu)的情況下，也不必管最終設(shè)計(jì)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。⑥由于VHDL具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，所以對于已完成的設(shè)計(jì)，可以在不改變源程序的情況下，只需改變類屬參量或函數(shù)，就能很容易地改變設(shè)計(jì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。

二、 EDA技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

(1)EDA技術(shù)的應(yīng)用。電子EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，逐漸在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面:幾乎所有理工科(特別是電子信息)類的高校都開設(shè)了EDA課程。主要是讓學(xué)生了解EDA的基本原理和基本概念、掌握描述系統(tǒng)邏輯的方法、使用EDA工具進(jìn)行電子電路課程的模擬仿真實(shí)驗(yàn)并在作畢業(yè)設(shè)計(jì)時從事簡單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為今后工作打下基礎(chǔ)。具有代表性的是全國每兩年舉辦一次大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽活動。在科研方面:主要利用電路仿真工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試，將CPLD/FPGA器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面:從高性能的微處理器、數(shù)字信號處理器一直到彩電、音響和電子玩具電路等，EDA技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計(jì)算機(jī)模擬仿真、產(chǎn)品調(diào)試，而且也在PCB的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接等有重要作用。可以說，電子EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)支持。

(2)EDA技術(shù)發(fā)展趨勢。EDA技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)后，由于更大規(guī)模的FPGA和CPLD的不斷推出，在仿真和設(shè)計(jì)兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言的功能強(qiáng)大的EDA軟件不斷更新、增加，使電子EDA技術(shù)得到了更大的發(fā)展。電子技術(shù)全方位納入EDA領(lǐng)域，EDA使得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互為包容，突出表現(xiàn)在以下幾個方面:①使電子設(shè)計(jì)成果以自主知識產(chǎn)權(quán)的方式得以明確表達(dá)和確認(rèn)成為可能;②基于EDA工具的ASIC設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP核模塊;③軟硬件IP核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步確認(rèn)。作為高等院校有關(guān)專業(yè)的學(xué)生和廣大的電子工程師了解和掌握這一先進(jìn)技術(shù)是勢在必行，這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是時代發(fā)展的需求，只有掌握了EDA技術(shù)才有能力參與世界電子工業(yè)市場的競爭，才能生存與發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的更新日新月異，EDA技術(shù)作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動力，已成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心。所以，發(fā)展EDA技術(shù)將是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場重大的技術(shù)革命，同時也對電類課程的教學(xué)和科研提出了更深更高的要求。特別是EDA技術(shù)在我國尚未普及，掌握和普及這一全新的技術(shù)，將對我國電子技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn):

[1]徐光輝.CPLD/TPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，

2002.

[2]杜玉遠(yuǎn).EDA設(shè)計(jì)快速入門[J].電子世界，2004(1).

[3]劉寶琴.ALTERA可編程邏輯器件及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版

社，1995.

(江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院)