基于FPGA的EDA技術課程設計研究

楊祖芳 汪淳

摘 要 EDA技術課程設計是EDA技術學習的一個重要環節，為培養學生的實際動手能力及設計創新能力，從教學改革的實踐出發，文章詳細介紹了課程設計的教學安排，給出了課程設計的具體方法。

關鍵詞 EDA技術 課程設計 實踐教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

隨著微電子技術的不斷發展和制造工藝水平的提高，現代電子產品正在以前所未有的革新速度，朝著功能多樣化、體積最小化、功耗最低化的方向迅速發展。EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術正是為了適應這種現狀，以縮短電子產品的開發周期，降低開發成本，提高產品競爭力為目的，吸收多學科最新成果而形成的一門新技術。日趨完善的EDA技術正在逐步取代傳統的電子設計方法，廣泛應用于工業生產、消費電子、醫藥衛生、汽車電子、無線通信、儀器儀表等領域。

1 EDA技術課程概述

EDA技術是以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計工具，由計算機自動完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優化、布局布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統或專用集成芯片的一門新技術，或稱為IES/ASIC自動設計技術。①

EDA技術是一門應用性和實踐性很強的課程。需要掌握四個方面：大規模可編程邏輯器件，硬件描述語言，軟件開發工具，實驗開發系統。大規模可編程邏輯器件主要是了解主流的FPGA/CPLD廠商及其主要器件，對器件的內部結構可以少講，不作深入的剖析。常用的硬件描述語言包括VHDL和Verilog HDL兩種，在教學中應讓學生至少掌握一種。選用不同廠家的可編程邏輯器件需要使用不同的EDA軟件開發工具。目前比較流行的、主流廠家的EDA 軟件工具有Altera公司的QuartusⅡ，Xilinx的ISE/ISE-WebPACK Series 和Lattice公司的ispLEVER。實驗開發系統是硬件驗證工具。②

EDA技術課程設計作為EDA技術理論課程的后續實踐教學環節，主要教學目的是提高學生的實踐動手能力，注重學生的自主設計能力和創新能力的培養，比較全面的掌握EDA技術的設計方法和工程開發流程，為畢業后能適應工作崗位打下基礎。

2 EDA課程設計教學實踐

2.1 教學安排

我校學生在上EDA課程設計之前已經學習了EDA技術理論課，并進行了18學時的EDA技術實驗，已經具備一定的理論基礎，掌握QuartusⅡ軟件的使用，能夠進行一些基本的組合邏輯電路及時序邏輯電路的設計，并下載到實驗箱上面觀察硬件現象。課程設計的教學安排主要包括下面幾個階段。

圖1 系統組成框圖

選題：學生3人一組，根據分發的題目，通過查找資料，選擇自己感興趣的課題或者自由定題，如果是自由定題需經過指導教師批準后方可進行后續設計。

具體設計：主要包括設計方案的確定，各模塊程序設計，仿真，硬件測試。學生在完成設計之后，需在實驗箱上演示硬件現象并進行講解，提交項目文件。指導教師根據學生的設計成果進行驗收。主要考察學生設計中所用的基礎理論、基本知識、基本技能的掌握程度，以及學生在實驗箱實驗過程中遇到的問題和解決方案。

課程設計報告撰寫：對設計過程進行歸納總結，按照規定的格式要求完成設計報告的撰寫，每人一份，不得抄襲。主要是培養學生的論文寫作能力。

答辯：學生對其設計內容進行講解并回答指導教師的提問。

2.2 電路系統的設計方法

EDA技術課程設計的題目一般比較復雜，需要綜合運用所學的知識。采用自上而下的設計方法進行設計，主要包括下面幾個步驟：（1）分析課程設計任務書的題目及要求；（2）通過查找資料，確定系統方案，將整個系統進行模塊劃分；（3）利用Altera公司的QuartusⅡ軟件，采用VHDL語言或原理圖的輸入方式進行具體模塊設計；（4）功能仿真、時序仿真，功能仿真是為了驗證系統是否能夠完成要求的邏輯功能，時序仿真是考慮了器件延時特性之后的仿真。（5）硬件測試。下面以汽車尾燈控制器的設計為例介紹數字電路系統的設計方法。

設計任務：設計一個汽車尾燈控制器，假設汽車尾部左右兩側各有3盞指示燈，其控制功能應包括：（1）汽車正常行駛時指示燈都不亮；（2）汽車右轉彎時，右側的一盞指示燈亮且閃爍；（3）汽車左轉彎時，左側的一盞指示燈亮且閃爍；（4）汽車剎車時，左右兩側的一盞指示燈同時亮；（5）汽車在夜間行駛，左右兩側的一盞指示燈同時一直亮，供照明使用。

按照設計要求，采用自頂向下的設計方式，將整個系統分為時鐘分頻模塊、主控模塊、汽車左燈控制模塊及汽車右燈控制模塊等四個模塊。其系統組成框圖如圖1所示。系統的輸入信號包括系統時鐘信號CLK、剎車信號BRAKE、夜間行駛信號NIGHT、汽車左轉彎控制信號LEFT及汽車右轉彎控制信號RIGHT，系統的輸出信號包括左側3盞指示燈LD1（左轉彎信號燈）、LD2（左剎車燈）、LD3（左夜燈）及RD1（右轉彎信號燈）、RD2（右剎車燈）、RD3（右夜燈）。

分頻模塊：輸入系統時鐘信號CLK（16Hz）進行16分頻得到1Hz的時鐘信號CP，CP的電平信號分別和LEDL、LEDR電平相與，用于控制左轉彎信號燈LD1及右轉彎信號燈RD1的閃爍。

主控模塊：此模塊用于整體控制，當輸入左轉彎信號LEFT時，輸出左燈控制信號LP，當輸入右轉彎信號RIGHT時，輸出右燈控制信號RP，當輸入剎車信號BRAKE時，輸出剎車燈控制信號BRAKE_LED，當輸入夜間行駛信號NIGHT時，輸出夜燈控制信號NIGHT_LED，其它情況輸出錯誤控制信號LR。主控模塊的VHDL源程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY CTRL IS

PORT（LEFT，RIGHT，BRAKE，NIGHT： IN STD_LOGIC；

LP，RP，LR，BRAKE_LED，NIGHT_LED： OUT STD_LOGIC）；

END ENTITY CTRL；

ARCHITECTURE ART OF CTRL IS

BEGIN

NIGHT_LED<=NIGHT；

BRAKE_LED<=BRAKE；

PROCESS（LEFT，RIGHT）

VARIABLE TEMP：STD_LOGIC_VECTOR（1 DOWNTO 0）；

BEGIN

TEMP：=LEFT&RIGHT；

CASE TEMP IS

WHEN "00"=>LP<='0'；RP<='0'；LR<='0'；

WHEN "01"=>LP<='0'；RP<='1'；LR<='0'；

WHEN "10"=>LP<='1'；RP<='0'；LR<='0'；

WHEN OTHERS=>LP<='0'；RP<='0'；LR<='1'；

END CASE；

END PROCESS；

END ARCHITECTURE ART；

汽車左燈控制模塊：用于控制左側尾燈的亮、滅和閃爍情況。在時鐘信號上升沿的控制下，左燈控制信號LP有效時，左燈LEDL輸出有效電平，輸出的LEDL信號與CP信號相與，使得左轉彎信號燈LD1閃爍。剎車控制信號有效時，LEDB輸出高電平，使得左邊剎車燈LD2點亮；夜間行駛信號有效時，LEDN輸出高電平，使得左邊夜燈LD3點亮。當錯誤控制信號出現時，左側三盞燈都不亮。源程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY LC IS

PORT（CLK，LP，LR，BRAKE，NIGHT： IN STD_LOGIC；

LEDL，LEDB，LEDN： OUT STD_LOGIC）；

END ENTITY LC；

ARCHITECTURE ART OF LC IS

BEGIN

LEDB<=BRAKE；

LEDN<=NIGHT；

PROCESS（CLK，LP，LR）

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

IF（LR='0'） THEN

IF（LP='0'）THEN

LEDL<='0'；

ELSE

LEDL<='1'；

END IF；

ELSE

LEDL<='0'；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

END ARCHITECTURE ART；

汽車右燈控制模塊：此模塊與左燈控制模塊類似，在這里不作詳細介紹。

頂層電路：各模塊設計仿真實現后，可以分別創建各個模塊的元件符號，然后將各子模塊采用原理圖的輸入方式連接起來建立頂層文件，或者用VHDL語言編寫頂層文件實現系統電路。圖2是頂層VHDL文件編譯后生成的RTL電路圖。

系統設計完成后，對整個系統進行功能仿真，根據設計要求添加測試輸入條件，觀察仿真后的輸出結果是否與理論結果相符，如果不符，則必須修改源程序，直到相符為止。圖3為系統仿真圖，由仿真現象可知，當剎車信號Brake為高電平時，不管時鐘信號如何，左右兩盞燈ld2及rd2同時點亮。當夜燈Night為高電平時，不管時鐘信號如何，左右兩盞燈ld3及rd3同時點亮。當左轉信號Left及右轉信號Right同時有效時，這是一種錯誤輸入，左右三盞燈均不亮，而當左轉信號Left單獨有效時，在時鐘CLK的上升沿到來后，相應尾燈Ld1開始閃爍。仿真結果與預期結果相符，驗證了設計的正確性。

電路仿真正確后，進行硬件驗證。根據實驗室的實驗箱，選擇Altera公司的EP1K30TC144-3芯片，正確分配好引腳，進行全編譯，生成編程文件，連接好實驗箱，將編程文件通過編程器下載到實驗箱上面，然后撥動開關，觀察實驗現象是否符合設計要求。

3 結束語

通過課程設計，同學們對EDA技術表現出濃厚的學習興趣，逐漸從被動學習轉變成了主動學習。同學們掌握了如何基于FPGA器件進行系統電路設計，學會了應用編程技術設計專用集成電路芯片的方法，實踐動手能力、綜合設計能力得到很大的提高，為將來的就業奠定了基礎。

注釋

① 譚會生，張昌凡.EDA技術及應用（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

② 劉婭琴，林霖.EDA課程教學探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2010.8.32（4）.