具体描述
内容简介
《全国高职高专教育电子电气类专业规划教材:EDA技术与应用教程》以培养读者实际工程应用能力为目的,深入浅出地介绍了可编程逻辑器件、EDA工具软件QuartusⅡ、硬件描述语言VHDI。等EDA技术与应用的相关知识并给出了丰富的设计实例。
全书内容分为六章,首先对EDA技术进行了概述,然后比较全面地介绍了EDA技术的主要内容:EDA的硬件基础FPGA/CPI。D的结构与工作原理、产品及配置编程;EDA的设计软件QuartusⅡ集成开发环境;EDA的主流表达方式硬件描述语言VHDL;接着通过实例用VHDL描述了基本数字单元电路;最后给出了几个基于EDA技术的综合性典型应用实例。各章配置了相应的习题和有较强针对性的实训项目,使读者通过学习与实’践后能初步了解和掌握EDA的基本内容及实用技术。
《全国高职高专教育电子电气类专业规划教材:EDA技术与应用教程》取材广泛、内容新颖、注重应用、适用性强,可作为高职高专院校电子类、通信类、计算机类、自动化类等专业的教学用书,也可作为相关专业工程技术人员的参考用书。 目录
第1章 EDA技术概述
1.1 EDA技术及其发展
1.2 EDA技术的主要内容
1.3 EDA的设计流程
1.4 常用EDA工具
本章小结
思考练习
第2章 可编程逻辑器件
2.1 可编程逻辑器件概述
2.1.1 可编程逻辑器件的基本结构
2.1.2 可编程逻辑器件的发展历程
2.1.3 可编程逻辑器件的分类
2.1.4 CPLD与FPGA比较
2.2 CPLD的实现原理与典型结构
2.2.1 CPLD的逻辑实现原理
2.2.2 典型CPLD器件简介MAX3000A
2.3 FPGA的实现原理与典型结构
2.3.1 FPGA的逻辑实现原理
2.3.2 典型FPGA器件简介--Cyclone
2.4 FPGA/CPLD产品概述
2.4.1 FPGA/CPLD产品主要厂商
2.4.2 Altera公司的可编程逻辑器件
2.4.3 Xilinx公司的可编程逻辑器件
2.4.4 Lattice公司的可编程逻辑器件
2.4.5 FPGA/CPLD的开发应用选择
2.5 FPGA/CPLD器件的配置与编程
2.5.1 醌置与编程工艺
2.5.2 下载电缆与接口
2.5.3 编程与配置模式
2.5.4 FPGA的配置方式
本章小结
思考练习
实训项目
第3章 QuartusⅡ应用基础
3.1 QuartusⅡ软件概述
3.1.1 QuartusⅡ软件简介
3.1.2 QuartusⅡ功能特点
3.1.3 QuartusⅡ界面预览
3.1.4 QuartusⅡ授权许可
3.2 QuartusⅡ设计流程
3.3 QuartusⅡ设计实例
3.3.1 建立工程文件
3.3.2 设计文件输入
3.3.3 编译工程文件
3.3.4 建立仿真测试的矢量波形文件
3.3.5 仿真并观察RTL电路
3.3.6 分配引脚
3.3.7 编程下载与硬件测试
本章小结
思考练习
实训项目
第4章 硬件描述语言VHDL
4.1 VHDL语言概述
4.1.1 VHDL简介
4.1.2 VHDL优点
4.1.3 VHDL实例
4.2 VHDL程序结构
4.2.1 实体
4.2.2 结构体
4.2.3 库
4.2.4 程序包
4.2.5 配置
4.3 VHDL语言要素
4.3.1 VHDL的文字规则
4.3.2 VHDL的数据对象
4.3.3 VHDL的数据类型
4.3.4 VHDL的操作符
4.3.5 VHDL的属性
4.4 VHDL描述语句
4.4.1 顺序描述语句
4.4.2 并行描述语句
4.5 VHDL描述风格
4.5.1 行为描述
4.5.2 数据流描述
4.5.3 结构描述
4.6 VHDL设计方法
4.6.1 电路模块的划分与工程
文件夹的建立
4.6.2 设计底层电路模块
4.6.3 设计电路顶层文件
4.6.4 编译仿真顶层设计文件
4.6.5 下载顶层设计文件
本章小结
思考练习
实训项目
第5章 基本数字单元设计
5.1 组合逻辑电路设计
5.1.1 运算电路设计
5.1.2 编码器设计
5.1.3 译码器设计
5.1 _4数据选择器设计
5.1.5 数据比较器设计
5.1.6 三态门及总线缓神器设计
5.2 时序逻辑电路设计
5.2.1 触发器设计
5.2.2 锁存器设计
5.2.3 移位寄存器设计
5.2.4 计数器设计
5.3 状态机设计
5.3.1 摩尔状态机设计
5.3.2 米利状态机设计
5.4 存储器设计
5.4.1 只读存储器设计
5.4.2 随机存储器设计
本章小结
思考练习
实训项目
第6章 EDA技术综合应用
6.1 数字钟的设计
6.1.1 设计要求
6.1.2 设计方案
6.1.3 模块设计
6.1.4 仿真分析
6.2 数字频率计的设计
6.2.1 设计要求
6.2.2 设计方案
6.2.3 模块设计
6.2.4 仿真分析
6.3 函数信号发生器的设计
6.3.1 设计要求
6.3.2 设计方案
6.3.3 模块设计
6.3.4 仿真分析
6.4 交通信号灯控制器的设计
6.4.1 设计要求
6.4.2 设计方案
6.4.3 模块设计
6.4.4 仿真分析
6.5 数字电压表设计
6.5.1 设计要求
……
参考文献
《电子设计自动化(EDA)原理与实践》 内容概述: 本书是一本系统阐述电子设计自动化(EDA)核心原理、关键技术及实际应用的高等院校教材。它旨在为电子信息类专业,特别是集成电路设计、嵌入式系统开发、数字信号处理等方向的本科生和研究生提供扎实的理论基础和实践指导。本书内容涵盖了EDA技术的全生命周期,从逻辑设计、综合、仿真、布局布线到物理验证,力求让读者全面掌握现代电子产品设计与制造的核心流程和工具。 第一部分:EDA技术基础 第一章:电子设计自动化(EDA)导论 1.1 电子信息产业发展趋势与EDA的角色: 详细分析当前电子信息产业的飞速发展,如物联网、人工智能、5G通信、云计算等领域对高性能、低功耗、高集成度电子器件的巨大需求。阐述EDA技术作为实现这些需求的基石,如何支撑从概念到成品芯片设计的整个过程。 1.2 EDA技术发展历程与演进: 回顾EDA技术从早期的手工布线、原理图输入到现代集成电路设计自动化工具的发展轨迹。重点介绍关键里程碑事件,如逻辑综合、物理设计自动化、验证技术的突破,以及FPGA、ASIC等不同设计领域的崛起对EDA提出的挑战与推动。 1.3 EDA工具链的组成与特点: 深入剖析一套完整的EDA工具链通常包含哪些核心模块,如逻辑综合工具、仿真器、布局布线器、物理验证工具、时序分析工具、低功耗设计工具等。介绍不同厂商(如Cadence, Synopsys, Mentor Graphics)的主流EDA工具及其各自的优势和应用领域。 1.4 EDA设计流程概述: 描绘一个典型的集成电路或FPGA设计流程图,从系统需求分析、架构设计、RTL编码、功能仿真、综合、静态时序分析、形式验证、布局布线、物理验证(DRC/LVS)、流片(ASIC)或下载(FPGA)等各个环节。为后续章节的学习奠定整体框架。 1.5 EDA在现代电子设计中的重要性: 强调EDA技术在提高设计效率、缩短产品上市周期、降低设计成本、提升设计质量和可靠性方面不可替代的作用。通过具体案例说明,例如复杂SoC芯片的设计,若无EDA工具,其设计难度和周期将是难以想象的。 第二章:硬件描述语言(HDL)与设计方法学 2.1 HDL概述: 介绍硬件描述语言(HDL)作为一种抽象化、模块化的语言,用于描述数字电路的结构和行为。解释HDL与传统程序设计语言(如C/C++)的区别,强调其并行性、时序性以及与硬件电路的直接映射关系。 2.2 Verilog HDL基础: 系统讲解Verilog HDL的语法和特性。包括: 模块(module)、端口(port)、信号(wire, reg)的定义与使用。 赋值语句: 阻塞赋值 (`=`) 和非阻塞赋值 (`<=`) 的区别及其在不同结构(过程块、连续赋值)中的应用场景。 基本逻辑门电路描述: 使用assign语句和always块描述组合逻辑电路。 顺序逻辑电路描述: 使用always块(always @(posedge clk or negedge reset))描述时序逻辑,包括触发器、寄存器、计数器等。 行为描述: 使用`if-else`、`case`、`forever`等语句描述复杂的电路行为。 实例化: 如何在高级模块中例化低级模块,构建层次化设计。 参数化设计: 使用`parameter`定义可配置的常量,提高设计的灵活性。 2.3 VHDL基础: (若教材内容包含VHDL,则详细介绍) 实体(entity)、架构(architecture)、端口(port)、信号(signal)的概念。 并发语句与顺序语句。 数据类型(std_logic, boolean, integer等)的定义与使用。 进程(process)与敏感列表(sensitivity list)。 属性(attribute)与泛型(generic)。 VHDL在不同设计风格(行为级、寄存器传输级)下的应用。 2.4 HDL设计风格与技巧: 组合逻辑设计风格: 优先使用`assign`语句描述组合逻辑,避免在`always`块中使用阻塞赋值来描述纯组合逻辑(除非有特殊考虑)。 时序逻辑设计风格: 严格遵循同步时钟设计原则,使用非阻塞赋值来描述寄存器更新,确保状态的正确转移。 可综合性原则: 强调编写能够被逻辑综合工具正确翻译成硬件网表(netlist)的代码。列举不可综合的Verilog/VHDL语句(如延时语句 ``、`wait`语句、文件I/O、循环次数不确定的`for`循环等),并给出替代方案。 模块化设计与层次化结构: 强调将复杂系统分解为逻辑上独立、功能清晰的子模块,并通过实例化进行组装,提高代码的可读性、可维护性和复用性。 代码规范与文档: 推广良好的代码书写习惯,如清晰的命名规则、适当的注释,以及为模块编写设计文档的重要性。 第二部分:EDA设计流程与关键技术 第三章:逻辑综合(Logic Synthesis) 3.1 逻辑综合概述: 解释逻辑综合是将HDL代码转换为门级网表(gate-level netlist)的过程。详细阐述其目标:在满足逻辑功能约束的前提下,优化电路的面积(area)、速度(speed)和功耗(power)。 3.2 综合过程与基本原理: 抽象与优化: 综合工具如何解析HDL代码,构建逻辑等价的抽象模型(如Boolean expression),并进行逻辑优化(如消除冗余逻辑、合并逻辑)。 技术映射(Technology Mapping): 将抽象逻辑映射到目标工艺库(technology library)中提供的基本逻辑门(如AND, OR, NOT, Flip-flops)的过程。介绍标准单元(standard cell)库的概念。 逻辑综合的约束(Constraints): 详细说明输入给综合工具的关键约束,如时钟频率(clock period)、输入输出端口的时序要求(input/output delays)、最大扇出(maximum fanout)等。强调约束的重要性,它们是指导综合工具进行优化的依据。 3.3 综合工具的使用与实践: 主流综合工具介绍: 以Synopsys Design Compiler或Cadence Genus为例,介绍其基本操作流程。 读入设计与约束: 如何加载HDL源文件和约束文件。 执行综合命令: 介绍常见的综合命令,如`compile`、`compile_ultra`等,以及如何通过设置综合策略(optimization strategy)来平衡面积、速度和功耗。 查看综合结果: 如何分析综合后的门级网表,查看设计报告,评估设计指标(面积、关键路径延迟等)。 设计收敛(Design Convergence): 讨论在综合过程中可能遇到的问题,如时序不满足、逻辑过大等,以及如何通过修改HDL代码、调整约束或综合选项来解决。 3.4 综合中的高级主题: 时序驱动综合(Timing-Driven Synthesis): 介绍综合工具如何利用时序信息进行优化,优先改善关键路径。 功耗感知综合(Power-Aware Synthesis): 讲解如何通过门控时钟(clock gating)、电源门控(power gating)等技术在综合阶段实现低功耗设计。 面积优化技术: 讨论冗余逻辑消除、逻辑共享等技术。 第四章:仿真(Simulation) 4.1 仿真概述与分类: 解释仿真作为验证设计正确性的核心手段,在EDA流程中的地位。介绍两种主要的仿真类型: 行为级仿真(Behavioral Simulation): 基于HDL的行为级描述进行仿真,速度快,用于早期功能验证和算法调试。 门级仿真(Gate-Level Simulation): 基于综合后的门级网表进行仿真,能够考虑门延迟和线延迟,更接近实际硬件表现,用于验证逻辑功能的准确性和时序。 4.2 仿真器工作原理: 简述仿真器如何读取设计网表和激励波形,按照仿真时间步进,模拟电路的逻辑和时序行为,并生成波形文件。 4.3 测试平台(Testbench)设计: 测试平台的概念与作用: 解释测试平台是一个用于驱动被测设计(DUT, Design Under Test)并监控其输出的HDL模块。 激励信号生成: 介绍如何编写Verilog/VHDL代码来生成时钟、复位信号、输入数据等激励,以及如何覆盖各种测试场景。 输出信号检查: 讲解如何使用`assert`语句、比较器或其他逻辑来检查被测设计的输出是否符合预期。 覆盖率(Coverage): 引入代码覆盖率(statement, branch, toggle coverage)和功能覆盖率的概念,强调全面测试的重要性。 4.4 仿真工具的使用与实践: 主流仿真器介绍: 以ModelSim/Questa Sim, VCS, Xcelium为例,介绍其基本操作。 编译与加载: 如何编译HDL源文件和测试平台,并加载到仿真器中。 运行仿真: 设置仿真时间,运行仿真命令。 波形观察: 使用波形窗口查看信号变化,分析仿真结果。 调试技巧: 介绍断点、单步执行、变量查看等调试方法。 4.5 形式验证(Formal Verification)简介: 形式验证的概念: 引入形式验证作为一种无需生成大量激励就能数学上证明设计正确性的方法。 模型检测(Model Checking)与定理证明(Theorem Proving): 简述其基本原理。 形式等价性检查(Formal Equivalence Checking, FEC): 强调它在综合前后网表一致性验证中的作用。 属性检查(Property Checking): 介绍如何使用硬件验证语言(HVL)如PSL或SVA来描述设计属性,并由工具进行验证。 第五章:布局布线(Place and Route) 5.1 布局布线概述: 解释布局布线是根据门级网表和物理库信息,在芯片版图上确定每个标准单元的位置(Placement)和单元之间互连线(Routing)的过程。它是连接逻辑设计与物理实现的关键步骤。 5.2 布局(Placement)过程: 初始布局: 将标准单元初步放置在硅片上的过程。 全局布局: 优化单元位置,以最小化总线长度,减少拥塞。 详细布局(Fine-tuning Placement): 进一步调整单元位置,为布线做准备。 布局的优化目标: 面积、布线长度、功耗、互连线延迟等。 5.3 布线(Routing)过程: 全局布线(Global Routing): 规划信号线通过的宏单元格(routing channels)的路径。 详细布线(Detailed Routing): 在具体的布线层上,将单元引脚连接起来,完成金属走线的绘制。 布线层的概念: 介绍多层金属布线技术。 布线的优化目标: 确保所有连接完成,最小化布线长度,满足时序要求,避免拥塞。 5.4 布局布线工具的使用与实践: 主流工具介绍: 以Cadence Innovus或Synopsys IC Compiler II为例。 输入设计与约束: 加载门级网表、标准单元库、布线层信息、时钟树(Clock Tree Synthesis, CTS)约束等。 执行布局布线流程: 介绍其自动化流程,包括布局、时钟树综合、布线、优化等阶段。 结果分析: 如何查看布线后的版图,评估布线质量,检查未布线(unrouted)的网络。 5.5 时钟树综合(Clock Tree Synthesis, CTS): 时钟树的重要性: 讲解时钟信号的低抖动(low jitter)和低偏斜(low skew)对同步电路稳定运行至关重要。 时钟树的构建: 介绍如何构建一个平衡的、低偏斜的时钟树网络,以将时钟信号均匀、快速地分配到所有触发器。 CTS约束: 时钟源、最大允许偏斜、时钟频率等。 5.6 功耗优化与低功耗布局布线: 介绍如何通过电源门控、动态电压频率调整(DVFS)等技术在物理设计阶段实现功耗优化。 第六章:物理验证(Physical Verification) 6.1 物理验证概述: 解释物理验证是检查设计版图是否符合流片(tape-out)所需的制造规则(Design Rule Checking, DRC)以及逻辑功能是否与网表一致(Layout Versus Schematic, LVS)的过程。它是流片前的最后一道关卡。 6.2 设计规则检查(DRC): DRC的重要性: 确保芯片制造过程中不会因为几何图形的违规而导致器件失效。 常见的DRC规则: 线宽(wire width)、线间距(wire spacing)、通孔尺寸(via size)、金属层覆盖(metal coverage)等。 DRC工具的使用: 介绍Calibre, PVS等DRC工具的基本操作。 6.3 版图与原理图比较(LVS): LVS的重要性: 确保物理版图所代表的电路与设计者最初的逻辑网表是完全一致的,防止在物理实现过程中引入逻辑错误。 LVS的过程: 从版图中提取电路网表,并与输入的设计网表进行比较。 LVS工具的使用: 介绍LVS工具如何进行网表提取和比较。 6.4 寄生参数提取(Parasitic Extraction): 寄生参数的概念: 解释在版图的金属线和器件之间存在着寄生电阻(R)和寄生电容(C),这些参数会影响电路的时序和功耗。 提取过程: 介绍提取工具(如Calibre PEX, StarRC)如何根据版图几何信息计算寄生参数。 寄生参数对时序和功耗的影响: 解释提取到的寄生参数如何用于后续的时序分析和功耗分析。 6.5 静态时序分析(Static Timing Analysis, STA): STA概述: 介绍STA是一种无需仿真激励,通过分析所有可能的时序路径来检查设计是否满足时序要求的方法。 关键路径分析(Critical Path Analysis): 讲解STA如何找出对时序影响最大的路径。 STA约束: 时钟定义、输入输出端口时序、时钟组(clock groups)、多时钟域(multi-clock domain)等。 STA报告分析: 如何解读STA报告中的时序违例(timing violations),如建立时间(setup time)和保持时间(hold time)违例。 STA工具的使用: 介绍PrimeTime, Tempus等STA工具。 STA在不同设计阶段的应用: 综合后STA,布局布线后STA,签核(sign-off)STA。 6.6 功耗分析(Power Analysis): 介绍如何利用寄生参数和门级网表对设计进行静态或动态功耗分析。 第三部分:EDA应用与进阶 第七章:FPGA设计与EDA工具 7.1 FPGA概述: 介绍FPGA(Field Programmable Gate Array)的结构、工作原理、逻辑单元(LUT, Flip-flop)、布线资源、IO模块等。对比FPGA与ASIC的优势和劣势。 7.2 FPGA设计流程: 讲解基于FPGA的RTL设计、仿真、综合、实现(布局布线)、下载、调试的全过程。 7.3 主流FPGA开发套件介绍: 以Xilinx Vivado或Intel Quartus Prime为例,介绍其开发环境、主要功能模块(IP核生成、时序分析、功耗分析等)。 7.4 FPGA设计中的约束: 详细讲解UCF/XDC文件的重要性,包括时钟约束(clock constraints)、引脚分配(pin assignment)、时序约束(timing constraints)等。 7.5 FPGA实现(Implemention): 介绍FPGA综合工具如何将逻辑网表映射到FPGA的物理资源(LUTs, Flip-flops, Block RAMs, DSP slices等),并进行布线。 7.6 FPGA设计实践: 通过一个或多个实际的FPGA设计案例(如简单的状态机、FIFO、UART控制器等)来演示完整的FPGA开发流程。 第八章:集成电路(ASIC)设计中的EDA应用 8.1 ASIC设计流程回顾: 结合前面章节的知识,再次梳理ASIC从前端设计(RTL设计、仿真、综合)到后端设计(布局布线、物理验证)到流片(tape-out)的完整流程。 8.2 ASIS设计中的关键挑战: 介绍ASIC设计面临的复杂性,如大规模集成、高频率、低功耗、信号完整性(Signal Integrity, SI)、电源完整性(Power Integrity, PI)等问题。 8.3 ASIC签核(Sign-off)流程: 详细说明在流片前需要完成的各种签核验证,包括时序签核(timing sign-off)、功耗签核(power sign-off)、物理验证签核(physical verification sign-off)等。 8.4 ASIC设计中的IP核(Intellectual Property Core)使用: 介绍IP核的概念,如ARM处理器核、USB控制器IP等,以及如何在ASIC设计中集成和验证IP核。 8.5 流片(Tape-out)与制造: 简述ASIC设计完成后,如何生成GDSII文件,并提交给晶圆代工厂(Foundry)进行制造的过程。 第九章:EDA高级应用与发展趋势 9.1 低功耗EDA技术: 深入探讨各种低功耗设计技术,如门控时钟(clock gating)、多电压域(multi-voltage domains)、动态电压频率调整(DVFS)、电源门控(power gating)、穿透式漏电(subthreshold leakage)控制等,以及EDA工具如何支持这些技术。 9.2 高性能设计技术: 介绍如何通过数据路径优化、流水线(pipelining)、并行处理、优化布线等技术来提升设计性能。 9.3 信号完整性与电源完整性分析: 讲解串扰(crosstalk)、反射(reflection)、电压降(IR drop)、电源噪声(power supply noise)等问题,以及EDA工具如何进行分析和修复。 9.4 混合信号集成电路设计: 介绍模拟/射频(RF)电路与数字电路混合设计的EDA挑战,以及相关工具(如Spectre, ADS)的应用。 9.5 基于机器学习的EDA: 探讨人工智能和机器学习在EDA领域的应用前景,如自动优化、智能设计辅助、加速仿真与验证等。 9.6 开放EDA工具与生态系统: 介绍一些开源EDA工具(如Yosys, Verilator, Magic P&R)的发展,以及它们在学术研究和小型项目中的作用。 9.7 未来EDA发展方向: 展望EDA技术在人工智能、物联网、高性能计算、汽车电子等新兴领域的应用趋势。 附录: EDA术语表 常用EDA工具命令参考 典型Verilog/VHDL设计实例 本书力求理论与实践相结合,通过丰富的实例和详细的步骤讲解,帮助读者掌握EDA技术的精髓,为从事现代电子系统设计和集成电路开发奠定坚实的基础。