EDA技术的发展与应用

3.3 硬件描述语言

硬件描述语言(HDL—Hardware Description Language)是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输入500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行A=B+C即可，而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，如ABEL–HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)语言，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEE STD-1076)。

VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。 VHDL还具有以下优点：

(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而化较少的精力于物理实现。

(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。

(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。

(4)VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。

3.4 系统框架结构

EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范，目前主要的EDA系统都建立了框架结构，如Cadence公司的 Design Framework，Mentor公司的Falcon Framework，而且这些框架结构都遵守国际CFI组织(CAD Framework Initiative)制定的统一技术标准。Framework能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中信息的传输与共享，是并行工程和Top–Down设计方法的实现基础。

4 EDA技术的基本设计方法

EDA技术的每一次进步,都引起了设计层次上的一个飞跃,可以用图1说明

图1 EDA技术设计层次的变化

物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。

4.1 电路级设计

电路级设计工作流程如图2所示，电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析，模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。

仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

由此可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前，就可以全面的了解系统的功能特性核物理特性，从而将开发风险消灭在设计阶段，缩短了开发时间，降低了开发成本。

图2 电路级设计工作流程

图3 系统级设计工作流程

4.2 系统级设计

进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显出现两个特点：一是产品的复杂程度加深；二是产品的上市时限紧迫，然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作(包括设计输入，仿真和分析，设计修改等)都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，为此引入了一种高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。

高层次设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性的方案与概念构思上，一旦这些概念构思以高 层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。这样，新的概念得以迅速有效的成为产品，大大缩短了产品的研制周期。不仅如此，高层次设计只是定义系统的行为特性，可以不涉及实现工艺，在厂家综合库的支持下，利用综合优化工具可以将高层次描述转换成针对某种工艺优化的网表，工艺转化变得轻松容易。具体的设计流程见图3。

高层次设计步骤如下：

第一步：

按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。

第二步：

输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式(框图，状态图等)，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。

第三步：

将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。

第四步：

利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件,这是将高层次描述转化硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，是较为粗略的，一般设计，这一仿真步骤也可略去。

第五步：

利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：①适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；②适配后的仿真模型；③器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性(如时延特性)，所以仿真结果能比较精确的预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。

第六步：

将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。