数字电路与逻辑设计（第四版）课件 第7章 VHDL与数字电路设计.pptx

第7章VHDL与数字电路设计;

7.1电子设计自动化(EDA)技术的发展;

第一代EDA工具的特点是交互式图形编辑设计，硬件采用16位小型机，逻辑图输入、逻辑模拟、电路模拟、版图设计及版图验证是分别进行的，设计人员需要对设计内容进行多次的比较和修改才能得到正确的设计。

第二代EDA工具集逻辑图输入、逻辑模拟、测试码生成、电路模拟、版图输入、版图验证等工具于一体，构成了一个较完整的设计系统。

CAE系统的特点是支持一致性检查和后模拟功能。;

第三代EDA工具出现于20世纪90年代，随着芯片的复杂程度愈来愈高，数万门及数十万门的电路设计越来越多，单是靠原理图输入方式已经无法完成，硬件描述语言设计方式应运而生，设计工作从行为级、功能级开始，EDA向设计的高层次发展，这样就出现了第三代EDA系统。

第三代EDA系统的特点是高层次设计的自动化。;

高层次设计是与具体生产技术无关的，亦即与工艺无关。一个HDL原码可以通过逻辑综合工具综合成为一个现场可编程门阵列，既FPGA电路，也可综合成某一工艺所支持的专用集成电路，即ASIC电路。HDL原码对于FPGA和ASIC是完全一样的，仅需要更换不同的库重新进行综合。随着工艺技术的进步，需要采用更先进的工艺时，如从0.35μm技术转换为0.18μm技术时，可利用原来所书写的HDL原码。;

前两代的EDA系统是以软件工具为核心的，第三代EDA系统是一个统一的、协同的、集成化的、以数据库为核心的系统。它具有面向目标的各种数据模型及数据管理系统，有一致性较好的用户界面系统，有基于图形界面的设计管理环境和设计管理系统。在此基础上，第三代EDA系统实现了操作的协同性、结构的开放性和系统的可移植性。;

其中操作的协同性是指可在多窗口的环境下同时运行多个工具。例如，当版图编辑器完成了一个多边形的设计时，该多边形就被存入数据库，被存入信息对版图设计规则检查器同样有效。因此，允许在版图过程中交替地进行版图设计规则检查，以避免整个设计过程的反复。再如，当在逻辑窗口中对该逻辑图的某个节点进行???查时，在版图窗口可同时看到该节点所对应的版图区域。这种协同操作的并行设计环境使设计者可同时访问设计过程中的多种信息，并能分享设计数据。;

结构的开放性是指通过一定的编程语言可以访问统一的数据库，同时在此结构框架中可嵌入第三方所开发的设计软件。

系统的可移植性是指整个软件系统可安装到不同的硬件平台上，这样可组成一个由不同型号工作站所组成的设计系统，从而共享同一设计数据。也可由低价的个人计算机和高性能的工作站共同组成一个系统。;

7.2硬件描述语言对数字系统的描述;

同时，系统也可以按照不同的抽象级别进行描述：

?开关级：描述晶体管的开关行为。

?寄存器传输级：描述组合电路和时序电路的逻辑结构。

?指令级体系结构级：描述微处理器的功能行为。

综合这些不同的角度和抽象级别，数字系统的描述可以用Gajski和Kuhn提出的著名的Y图来表示，如图7-1所示。;

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7.3基于硬件描述语言的数字电路设计流程;

逻辑综合是将逻辑级的行为描述转换成逻辑级的结构描述，即逻辑门级网表。逻辑级的行为描述可以是状态转移图、有限状态机，也可以是布尔方程、真值表或硬件描述语言。逻辑综合过程还包括一些优化步骤，如资源共享、连接优化和时钟分配等。优化目标是面积最小、速度最快、功耗最低或它们的折中。;

逻辑综合分成两个阶段：首先是与工艺无关的阶段，此阶段采用布尔操作或代数操作技术来优化逻辑；其次是工艺映射阶段，此阶段根据电路的性质(如组合型或时序型)及采用的结构(多层逻辑、PLD或FPGA)作出具体的映射，将与工艺无关的描述转换成门级网表或PLD(或FP－GA)的专门文件。

物理综合也称为版图综合(LayoutSynthesis)，它的任务是将门级网表自动转换成版图，即完成布图。

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与传统的数字电路设计方法相比，基于硬件描述语言的数字电路设计方法具有以下四方面的优势：

(1)采用自上向下(Top-down)的设计方法。所谓自上向下的设计方法，是指从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用HDL的硬件设计方法中，自上而下分成三个层次对系统硬件进行设计。

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第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质上就是对整个系统的数学模型的描述。

第二层次是RTL描述。这一层次称为寄存器传输描述(即数据流描述)。

第三层次是逻辑综合。逻辑综合阶段利用逻辑综合工具将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网表)，之后对门级网表再进行仿