EDA技術(shù)在數字系統設計分析中的應用

隨著(zhù)電子工程與計算機科學(xué)（EECS）的迅猛發(fā)展，數字電路系統的發(fā)展也十分迅速。電子器件在最近幾十年經(jīng)歷了從小規模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）到大規模集成電路（LSI）以至超大規模集成電路（VLSI）的發(fā)展歷程。從簡(jiǎn)單可編程器件到高密度可編程器件，設計方法也在從根本上發(fā)生轉變，由原來(lái)的手工設計到現在的電子設計自動(dòng)化（EDA）設計。為了提高系統的可靠性與通用性，微處理器和專(zhuān)用集成電路（ASIC）逐漸取代了通用全硬件LSI電路，可編程邏輯器件（PLD）尤其是現場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD）被大量地應用在A(yíng)SIC的制作中，在可編程集成電路的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，EDA技術(shù)的出現帶來(lái)了電子系統設計的革命性變化。

1 EDA技術(shù)的發(fā)展

　　EDA技術(shù)是伴隨著(zhù)計算機、集成電路、電子系統設計的發(fā)展，經(jīng)歷了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程設計（CAE）和電子系統設計自動(dòng)化（ESDA）三個(gè)發(fā)展階段。

　　20世紀70年代為CAD階段，這一階段人們開(kāi)始用計算機輔助進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布線(xiàn)，取代了手工操作。80年代為CAE階段，與CAD相比，除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設計和結構設計，并通過(guò)電氣連接網(wǎng)表將兩者結合在一起，以實(shí)現工程設計。90年代為ESDA階段， ESDA的基本特征是設計人員按“自頂向下”的設計方法，對整個(gè)系統進(jìn)行方案設計和功能劃分，系統的關(guān)鍵部分用一片或幾片專(zhuān)用集成電路實(shí)現，然后采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）完成系統行為級設計，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標器件。ESDA的出現，使設計師開(kāi)始實(shí)現“概念驅動(dòng)工程”的夢(mèng)想，從而擺脫了大量的輔助設計工作，把精力集中在創(chuàng )造性的方案與概念構思上，極大地提高了系統的效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期。

2 EDA技術(shù)的基本特征

　　EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的計算機軟件系統，是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)設計。電子設計自動(dòng)化工程是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的計算機軟件、硬件、微電子交叉的現代電子設計學(xué)科，它是以EDA軟件工具為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言為設計語(yǔ)言，以可編程器件為實(shí)驗載體，以專(zhuān)用集成電路（ASIC）、片上系統（SOC）芯片為器件目標，以電子系統設計為應用方向的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設計過(guò)程[1]。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開(kāi)始設計電子系統，大量工作可以通過(guò)計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程在計算機上自動(dòng)處理完成。

　　現代EDA技術(shù)是采用高級語(yǔ)言描述，具有系統級仿真和綜合能力，它主要采用并行工程（Concurrent Engineering）設計和自頂向下（Top-down）設計方法，其基本思想是從系統總體要求出發(fā)，分為行為描述、寄存器傳輸級描述、邏輯綜合三個(gè)層次，將設計內容逐步細化，最后完成整體設計，這是一種全新的設計思想與設計理念。

3 EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢

進(jìn)入21世紀，全定制和定制專(zhuān)用集成電路正成為新的發(fā)展熱點(diǎn)，專(zhuān)用集成電路的設計與應用必須依靠專(zhuān)門(mén)的EDA工具，因此EDA技術(shù)在功能仿真、時(shí)序分析、集成電路自動(dòng)測試、高速印刷電路板設計及操作平臺的擴展等方面都面臨著(zhù)新的巨大的挑戰。EDA技

術(shù)目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的EDA工具問(wèn)世，我國EDA技術(shù)的應用水平長(cháng)期落后于發(fā)達國家，因此，廣大電子工程人員應該盡早掌握這一先進(jìn)技術(shù)，這不僅是提高設計效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場(chǎng)上生存、競爭與發(fā)展的需要。

4 EDA技術(shù)的設計流程

EDA技術(shù)是將傳統的“電路設計——硬件搭試——調試焊接”模式變?yōu)?ldquo;功能設計——軟件模擬——編程下載”方式，設計人員只需一臺微機和相應的開(kāi)發(fā)工具即可研制出各種功能電路。EDA技術(shù)將電子產(chǎn)品設計從軟件編譯、 邏輯化簡(jiǎn)、 邏輯綜合、 仿真優(yōu)化、 布局布線(xiàn)、 邏輯適配、 邏輯影射、 編程下載 、生成目標系統的全過(guò)程在計算機及其開(kāi)發(fā)平臺上自動(dòng)處理完成。具體流程如圖1所示：

下面以Alter公司的可編程器件的開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+plusII為平臺，采用層次化設計方法，設計一個(gè)十字路口的交通信號燈的控制電路。

5 EDA技術(shù)的應用

設計一個(gè)十字路口的交通控制電路，通過(guò)紅（R）、黃（Y）、綠（G）燈控制東西和南北兩道交叉路口的交通，要求兩道的通行時(shí)間T1、T2，紅綠燈交替時(shí)間為T(mén)3。

實(shí)現路口交通燈系統的控制方法很多，可以用標準邏輯器件、可編程序控制器和單片機等方案來(lái)實(shí)現，但這些控制方法的功能修改及調試需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統調試的困難。因此在設計中采用EDA技術(shù)中的VHDL硬件描述語(yǔ)言，以MAX+plusII開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合仿真，并下載到CPLD可編程邏輯器件中，完成系統的控制作用。

　　C1、C2、C3為各定時(shí)器的使能控制信號，W1、W2、W3為為各定時(shí)器的狀態(tài)信號，定時(shí)時(shí)間到輸出為1，定時(shí)時(shí)間未到輸出為0。該系統中的定時(shí)器可采用帶預置功能的減法計數器實(shí)現，控制器可采用CPLD器件EPM7128系列芯片，秒脈沖信號CLK可由晶體振蕩器輸出經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生，當精度和穩定性要求不高時(shí)，可采用RC環(huán)形振蕩器，555定時(shí)器或其它電路產(chǎn)生。根據該系統的要求。

控制器（control）和三個(gè)定時(shí)器（timer）均為VHDL描述，該源程序中三個(gè)定時(shí)器的功能完全一樣，只是工作的預置數不同，所以只定義一個(gè)實(shí)體[2]?？刂破骱投〞r(shí)器的源程序如下：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY control IS —— 控制器實(shí)體說(shuō)明

PORT(clk,reset,w1,w2,w3:IN STD_LOGIC);

END control;

ARCHITECTURE beh_control OF control IS ——控制體結構體

TYPE state_type IS (S0,S1,S2,S3);

SIGNAL state:state_type;

BEGIN

PROCESS(clk,reset)

BEGIN

IF reset=’1’THEN

State=S0;

ELSIF(clk’EVENT AND clk=’1’)THEN

CASE state IS

WHEN S0=>IF w1=’1’THEN

state=S1;

END IF;

WHEN S1=>IF w3=’1’THEN

END IF;

WHEN S2=>IF w2=’1’THEN

state=S3;

END IF;