ＥＤＡ技術在現代數字系統中的應用

摘要：介紹ＥＤＡ技術在一個簡單的數字系統設計中的具體應用過程，詳細闡述了ＥＤＡ技術的基本特征和發展趨勢，揭示了其在現代數字系統中的重要地位及作用。

關鍵詞：ＥＤＡ ＡＳＩＣ ＰＬＤ ＦＰＬＤ ＶＨＤＬ 數字系統 自頂向下 并行工程 ＩＳＰ

二十世紀后半期，隨著集成電路和計算機技術的飛速發展，數字系統也得到了飛速發展，其實現方法經歷了由分立元件、ＳＳＩ、ＭＳＩ到ＬＳＩ、ＶＬＳＩ以及ＵＶＬＳＩ的過程。同時，為了提高系統的可靠性與通用性，微處理器和專用集成電路（ＡＳＩＣ）逐漸取代了通用全硬件ＬＳＩ電路，而在這二者中，ＡＳＩＣ以其體積小、重量輕、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脫穎而出。總的來說，ＡＳＩＣ的制作可粗略地分為掩膜方法和現場可編程方法兩大類。目前，業界大量可編程邏輯器件（ＰＬＤ），尤其是現場可編程邏輯器件（ＦＰＬＤ）被大量地應用在ＡＳＩＣ的制作當中。在可編程集成電路的開發過程中，電子設計自動化（ＥＤＡ）技術應運而生。ＥＤＡ技術的出現，不僅為電子系統設計帶來了一場革命性的變化，從某種角度來說，也成為其發展的必然。

１ ＥＤＡ技術的基本特征及發展

１.１ ＥＤＡ技術的基本概念

ＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）即電子設計自動化技術，是一種以計算機為基本工作平臺，利用計算機圖形學、拓撲邏輯學、計算數學以至人工智能學等多種計算機應用學科的最新成果而開發出來的一整套軟件工具，是一種幫助電子設計工程師從事電子元件產品和系統設計的綜合技術。

１.２ ＥＤＡ技術的發展歷程及發展趨勢

ＥＤＡ技術的發展經歷了一個由淺到深的過程。二十世紀７０年代，隨著中小規模集成電路的開發應用，傳統的手工制圖設計印刷電路板和集成電路的方法已無法滿足設計精度和效率的要求，因此工程師們開始進行二維平面圖形的計算機輔助設計，以便解脫繁雜、機械的版圖設計工作，這就產生了第一代ＥＤＡ工具。

到了８０年代，為了適應電子產品在規模和制作上的需要，應運出現了以計算機仿真和自動布線為核心技術的第二代ＥＤＡ技術。其特點是以軟件工具為核心，通過這些軟件完成產品開發的設計、分析、生產、測試等各項工作。

９０年代后，ＥＤＡ技術繼續發展，出現了以高級語言描述、系統級仿真和綜合技術為特征的第三代ＥＤＡ技術。它們的出現，極大地提高了系統設計的效率，使廣大的電子設計師開始實現“概念驅動工程”的夢想。設計師們擺脫了大量的輔助設計工作，而把精力集中于創造性的方案與概念構思上，從而極大地提高了設計效率，縮短了產品的研制周期。

由此可見，ＥＤＡ技術可以看作是電子ＣＡＤ的高級階段。ＥＤＡ工具的出現，給電子系統設計帶來了革命性的變化。隨著Ｉｎｔｅｌ公司Ｐｅｎｔｉｕｍ處理器的推出，Ｘｉｌｉｎｘ等公司幾十萬門規模的ＦＰＧＡ的上市，以及大規模的芯片組和高速、高密度印刷電路板的應用，ＥＤＡ技術在仿真、時序分析、集成電路自動測試、高速印刷電路板設計及操作平臺的擴展等方面都面臨著新的巨大的挑戰。這些問題實際上也是新一代ＥＤＡ技術未來發展的趨勢。

１.３ ＥＤＡ技術的基本特征和基本工具

總的來說，現代ＥＤＡ技術的基本特征是采用高級語言描述，具有系統級仿真和綜合能力。它主要采用并行工程和“自頂向下”的設計方法，使開發者從一開始就要考慮到產品生成周期的諸多方面，包括質量、成本、開發時間及用戶的需求等等。然后從系統設計入手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計，在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＨＤＬ、ＡＢＥＬ等硬件描述語言對高層次的系統行為進行描述，在系統一級進行驗證，最后再用邏輯綜合優化工具生成具體的門級邏輯電路的網表，其對應的物理實現級可以是印刷電路板或專用集成電路。近幾年來，硬件描述語言等設計數據格式的逐步標準化、不同設計風格和應用的要求導致各具特色的ＥＤＡ工具被集成在同一個工作站上，從而使ＥＤＡ框架日趨標準化。

ＥＤＡ工具的發展經歷了兩個大的階段：物理工具和邏輯工具。現在ＥＤＡ和系統設計工具正逐漸被理解成一個整體的概念：電子系統設計自動化。物理工具用來完成設計中的實際物理問題，如芯片布局、印刷電路板布線等等；邏輯工具是基于網表、布爾邏輯、傳輸時序等概念，首先由原理圖編輯器或硬件描述語言進行設計輸入，然后利用ＥＤＡ系統完成綜合、仿真、優化等過程，最后生成物理工具可以接受的網表或ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＨＤＬ的結構化描述。現在常見的ＥＤＡ工具有編輯器、仿真器、檢查／分析工具、優化／綜合工具等等。

目前，ＰＬＤ已成為現代數字系統設計的主要手段。傳統的編程技術是將ＰＬＤ器件插在編程器上進行編程，而“在系統可編程”（ＩＳＰ，即Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）邏輯器件的問世，將可編程器件的優越性發揮到了極致。它允許用戶“在系統中”編輯和修改邏輯，給使用者提供了在不修改系統硬件設計的條件下重構系統的能力和硬件升級能力，使硬件修改變得象軟件修改一樣方便，系統的可靠性因此而提高。ＩＳＰ技術即直接在用戶設計的目標系統中或線路板上對ＰＬＤ器件進行編程的技術，打破了使用ＰＬＤ必先編程后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，成為產品后還可反復編程，從而開創了數字電子系統設計技術新的一頁。

下面，筆者即以基于Ｘｉｌｉｎｘ的ＣＰＬＤ器件ＸＣ９５１０８－７ＰＣ８４Ｃ和Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ２．１軟件平臺的一個簡單的四位扭環形計數器（即四位循環彩燈）的設計為例，談談ＥＤＡ技術在ＩＳＰ數字邏輯系統中的具體應用。

２ ＥＤＡ技術在一個簡單的數字系統設計中的具體應用

２.１ 設計要求

本系統要求設計一個四位扭環形計數器，時鐘上升沿觸發，可進行復位（即清零）和時鐘使能控制，其結果要求通過四個一字排列的發光二極管顯示出來（構成一種簡單的循環彩燈圖案），同時其輸出讀數（十六進制）亦要求通過數碼管進行顯示。

２.２ 設計分析

根據設計要求，本系統可以通過四個帶時鐘使能和異步清零端的上升沿觸發的Ｄ觸發器來完成計數部分，且時鐘同步，若四位輸出的初始值為“００００”，則經過８個時鐘脈沖激勵的輸出依次為：“０００１”（１）、“００１１”（３）、“０１１１”（７）、“１１１１”（Ｆ）、“１１１０”（Ｅ）、“１１００”（Ｃ）、“１０００”（８）、“００００”（０）。這些時刻的輸出，一方面將送至發光二極管進行顯示；另一方面將送至數碼管的七個管腿，并通過七段共陰ＢＣＤ碼顯示譯碼器顯示該讀數。總的邏輯框圖如圖１所示。

２.３ 具體實現

經過總體分析即“頂層”設計之后，就可以利用ＥＤＡ工具和ＩＳＰ技術“向下”進行具體的模塊設計了。

２.３.１ 邏輯輸入

２.３.１.１ 計數器部分

ＥＤＡ工具的重要特征之一是支持多種輸入方式，如原理圖輸入方式、狀態機輸入方式、ＨＤＬ高級語言輸入方式等等。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ２．１軟件平臺對以上三種輸入方式都能很好地支持。此部分的設計即以原理圖輸入方式為例來實現。四位扭環形計數器原理圖如圖２所示。

２.３.１.２ 數碼管顯示部分

實質上是設計一個４～７線的ＢＣＤ碼顯示譯碼器。此部分擬用ＩＥＥＥ通用硬件描述語言ＶＨＤＬ來設計，完成編譯和綜合后即生成相應的宏模塊設計代碼如下：

ｌｉｂｒａｒｙ ＩＥＥＥ；

ｕｓｅ ＩＥＥＥ．ｓｔｄ＿ｌｏｇｉｃ＿１１６４．ａｌｌ；

ｅｎｔｉｔｙ ＨＥＸ２ＬＥＤ ｉｓ

ｐｏｒｔ （

ＨＥＸ： ｉｎ ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （３ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

ＬＥＤ ｏｕｔ ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （６ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

ｅｎｄ ＨＥＸ２ＬＥＤ；

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＨＥＸ２ＬＥＤ＿ａｒｃｈ ｏｆ ＨＥＸ２ＬＥＤ ｉｓ

ｂｅｇｉｎ

ｗｉｔｈ ＨＥＸ ＳＥＬｅｃｔ

ＬＥＤ＜＝“１１１１００１” ｗｈｅｎ “０００１”， －－１

“０１００１００” ｗｈｅｎ “００１０” －－２

“０１１００００” ｗｈｅｎ “００１１”－－３

“００１１００１” ｗｈｅｎ “０１００”－－４

“００１００１０” ｗｈｅｎ “０１０１”－－５

“０００００１０” ｗｈｅｎ “０１１０”－－６

“１１１１０００” ｗｈｅｎ “０１１１”－－７

“０００００００” ｗｈｅｎ “１０００”－－８

“００１００００” ｗｈｅｎ “１００１”－－９

“０００１０００” ｗｈｅｎ “１０１０”－－Ａ

“０００００１１” ｗｈｅｎ “１０１１”－－ｂ

“１０００１１０” ｗｈｅｎ “１１００”－－Ｃ

“０１００００１” ｗｈｅｎ “１１０１”－－ｄ

“００００１１０” ｗｈｅｎ “１１１０”－－Ｅ

“０００１１１０” ｗｈｅｎ “１１１１”－－Ｆ

“１００００００” ｗｈｅｎ ｏｔｈｅｒｓ－－０

ｅｎｄ ＨＥＸ２ＬＥＤ＿ａｒｃｈ；

２.３.１.３發光二極管顯示部分

發光管的顯示只需將Ｑ０～Ｑ３的輸出引線直接與四個并行排列的發光二極管管腳一一相連即可。

至此，各部分設計工作基本完成，我們只需將各個部分按連線規則嚴格進行連接，定義好相應的Ｉ／Ｏ管腳和信號線后，即可進行邏輯實現與綜合了。

２.３.２ 邏輯實現與綜合

ＥＤＡ提供了良好的邏輯綜合與優化功能，它能夠將設計人員設計的邏輯級電路圖自動地轉換為門級電路，并生成相應的網表文件、時序分析文件和各種報表，若設計沒有錯誤，最終可生成可以編程下載的ＪＥＤ文件。

２.３.３ 系統仿真

通常，在正式下載前，設計人員還要對設計的電路進行一些校驗工作，這些工作即可通過ＥＤＡ的功能仿真和時序仿真工具來完成。本系統在設定了ＣＬＫ、ＣＥ和ＣＬＲ信號的情況下，輸出ＱＯ～Ｑ３的功能仿真圖和時序仿真圖分別如圖３和圖４所示。由圖４可以看出，此設計的各信號的延遲在２ｎｓ左右，基本符合設計指標要求。

２.３.４ 編程下載

當設計人員確定設計工作已基本成功時，即可通過編程電纜下載數據流來進行硬件驗證。驗證合格后，總體設計工作即圓滿完成。

通過此例的設計流程講述可知，ＥＤＡ技術及其工具在數字電路系統（包括模擬電路系統）中正發揮著越來越重要的作用，其應用的深度和廣度正在向更深層次延伸。

目前，現代集成電路技術的發展使以現場可編程門陣列為代表的大容量可編程邏輯器件的等效門數迅速提高，其規模直逼標準門陣列，達到了系統集成的水平。特別是進入二十世紀９０年代后，隨著ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ等現場可編程邏輯器件的逐漸興起，ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ等通用性好、移植性強的硬件描述語言的普及，ＡＳＩＣ技術的不斷完善，ＥＤＡ技術在現代數字系統和微電子技術應用中起著越來越重要的作用。從通常意義上來說，現代電子系統的設計已經再也離不開ＥＤＡ技術的幫助了。