第三章 现代EDA技术应用设计实践
第四章 数字系统与Verilog HDL 描述
CPLD/FPGA 与ASIC原理与设计
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第五章 Verilog HDL 基础
第六章 Verilog HDL设计进阶与设计技巧
第一章 绪论
第二章 可编程逻辑器件基础
第七章 EDA技术综合设计实验举例
第八章 设计实验项目
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E:%5C%E9%99%88%E8%B5%9C%E6%96%87%E4%BB%B6%5CEDA%
绪论
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EDA技术的发展史
CPLD/FPGA的发展史
EDA技术的基本设计方法
常用EDA设计软件介绍
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EDA技术的发展史
EDA是电子设计自动化（Electron Design
Automation）的缩写，是在90年代初，从
CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅
助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE
（计算机辅助工程）的概念发展起来的。
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EDA技术就是以计算机为工具，在EDA
软件平台上，利用硬件描述语言描述设计系
统，然后由EDA工具完成逻辑编译，逻辑分
割，逻辑综合及优化，逻辑布线，逻辑仿真，
适配编译，逻辑映射和下载工作。
EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向
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EDA的发展史
•70年代，出现CAD工具。解决LSI或PCB布线
设计问题。如TANGO。
•80年代，出现EDA工具。主要以数字电路分析
为主，能够完成电路图编辑和进行逻辑功能仿
真。
• 90年代以来，由于微电子技术的迅猛发展，出现了
以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三
代EDA技术。
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这个阶段EDA技术的主要特征：
1. 高层综合的理论与方法取得进展，将RT级
提高到了系统级（又称行为级）。
2. 采用硬件描述语言描述电子系统的设计，
如ABEL-HDL、VHDL和Verilog HDL。
3. 用平面规划（Floorplaning）技术
对逻辑综合和物理版图进行联合管理。
4. 可测试性综合设计。
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5. 为带有嵌入μP核的ASIC设计提供软、硬协
同设计工具。
6. 建立并行设计工程CE（Concurrent
Engineering）框架结构的集成化设计环境，
以适应当今ASIC的设计。
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在Internet迅速普及的今天，电子设计工
程师可以利用Internet，在网上下载EDA设计
工具和IP核，使ASIC的设计变得迅速、经济和
高效。因此，随着EDA技术的日益普及，EDA必
成为每一个电子工程师的主要设计工具。
end
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CPLD/FPGA的发展史
逻辑器件是用来实现某种特定逻辑功能
的电子器件，最简单的逻辑器件是与、或、
非门，在此基础上可实现复杂的时序和组合
逻辑功能。随着电子技术的发展，电路集成
度不断提高，数字集成电路也从SSI、MSI、
LSI向VLSI方向发展。下图是数字集成电路
的分类：
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(ASIC)
一、数字集成电路的分类
数
字
集
成
电
路
标
准
电
路
用
户
定
制
电
路
RAM、ROM、SSI、LSI －如74系列、40系列
软件组态的微处理器 －－如CPU、
DSP、PLC
全
定
制
半
定
制
可
编
程
器
件
门阵列
标准单元阵列
PROM、PLA、PAL、
GAL、CPLD
FPGA
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..%
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1.专用集成电路（ASIC）
是指专门为某一应用领域或专门用户需
要而设计、制造的集成电路。它可以将某些
专业电路或电子系统设计在一个芯片上，构
成单片集成系统，即片上系统SOC(System
on Chip)。
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2.片上系统SOC
专家认为，IC发展的大趋势是高速、高集成度和低功耗的系统。
就是将整个系统集成到单一半导体芯片上。更确
切地说，片上系统是指综合数字和模拟技术，并将I/O、
各种转换器件、存储器和MPU集成在同一封装内，能够
高效实现特定功能的IC。片上系统将具备微处理器、
存储器和一整套专用功能，甚至电源和电源驱动电路
也将集成在同一模块中。
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集成片上系统的优点：
实现高速运作、缩短产品的上市时间、
降低功耗和减少所占的PCB空间、提高系统
的可靠性、它可使电子系统的尺寸更小、性
能更高和成本更低，同时整个系统的抗干扰
特性与可靠度将提高。
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1. 缩小体积
ASIC作为集成电路（IC）技术与特定用户的整机或系
统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，在构成电
子系统时具有以下几个方面的优越性：
2. 提高可靠性
3. 易于获得高性能
4. 增强保密性
5. 在大批量应用时，可显著降低系统成本。
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3.全定制ASIC芯片的各层掩膜都是按特定电路功能
专门制造的。
4.半定制ASIC是一种约束性设计方式。目前，半
定制ASIC主要有三种：
门阵列、标准单元和可编程逻辑器件。
门阵列是一种预先制造好的硅阵列，内部包括
几种基本逻辑门和触发器等，芯片中留有一定的布
线区。
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5.标准单元
是厂家将预先配置好、经过测试，具有一
定功能的逻辑块作为标准单元存储在数据库中，
设计人员在电路设计完成后，利用CAD工具
在版图一级完成与电路一一对应的最终设计。
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二. 可编程逻辑器件的发展史
可编程逻辑器件（PLD－－Programmable
Logic Device）：器件的功能不是固定不变的，
它可根据用户的需要而进行改变，即由编程的
方法来确定器件的逻辑功能。
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可编程逻辑器件的发展史
70年代，出现熔丝编程结构PROM和PLA
70年代末，AMD推出PAL
80年代初，Lattice推出GAL
80年代中期，Xilinx推出FPGA; Altera推出EPLD
80年代末，Lattice提出ISP技术
90年代，出现CPLD－EPLD改进型器件
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现在，由于FPGA技术的快速发展，
FPGA产品在逻辑密度、性能和功能上有了
极大的提高，同时器件成本也大幅下降，
可编程逻辑技术已经能与ASIC（专用集成
电路）和ASSP（专用标准产品）争夺市场，
并逐渐呈现出取代ASIC和ASSP的趋势。
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EDA技术的基本设计方法
1 .数字电路设计的基本方法
在数字电子技术基础课程中，数字电路设
计的数学基础是布尔函数，并利用卡诺图进
行化简。卡诺图只适用于输入比较少的逻辑
函数的化简。数字电路的设计方法是：
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• 布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺图）
•数字电路设计的基本方法
–组合电路设计
问题逻辑关系真值表化简逻辑图
–时序电路设计
列出原始状态转移图和表状态优化
状态分配触发器选型求解方程式
逻辑图
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• 使用中、小规模器件设计电路（74、54
系列）
– 编码器（74LS148）
– 译码器（74LS154）
– 比较器（74LS85）
– 计数器（74LS193）
– 移位寄存器（74LS194）
– ………
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• 设计方法的局限
– 卡诺图只适用于输入比较少的函数的
化简。
– 采用“搭积木”的方法的方法进行设
计。必须熟悉各种中小规模芯片的使
用方法，从中挑选最合适的器件，缺
乏灵活性。
– 设计系统所需要的芯片种类多，且数
量很大。
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• 采用中小规模器件的局限
– 电路板面积很大，芯片数量很多，功
耗很大，可靠性低－－提高芯片的集
成度
– 设计比较困难－－能方便地发现设计
错误
– 电路修改很麻烦－－提供方便的修改
手段
• PLD器件的出现改变了这一切
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2 . 现代数字系统的设计方法
随着PLD器件的出现和计算机技术的发展，
使EDA技术得到了广泛应用。设计方法也因
此发展了根本性的变化。由传统的“自底向
上”的设计方法转变为一种新的“自顶向下
”的设计方法。“自顶向下”的设计方法的
设计流程如下：
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第一步进行行为设计
第二步进行结构设计
第三步是把结构转化成逻辑图，即进行逻辑设计；
第四步是进行电路设计，将逻辑图进一步转换成电路图。
最后一步是进行ASIC的版图设计，即将电路转换成版
图，或者用可编程ASIC实现（如CPLD/FPGA）。
“自底向上”和“自顶向下”设计步骤
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Bottom-up
系统分解
单元设计
功能模块划分
子系统设计
系统集成
Top-down
行为设计
结构设计
逻辑设计
电路设计
版图设计
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3． CPLD/FPGA设计流程
只要有数字电路的基础，还是能较容易
和快速地学会利用CPLD/FPGA设计数字系
统的。数字系统的基本部件比较简单,它们是
一些与门、或门、非门、触发器、多路选择
器等，宏器件也是一些加法器、乘法器等。
CPLD/FPGA器件的设计一般分为设
计输入、设计实现和编程三个主要设计步
骤。
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设计准备和系统划分
设计输入（原理图、HDL语言或波形图）
编译并进行功能仿真
设计处理（EDA工具综合）厂家综合库
适配前时序仿真
适配器
适配后仿真模型 器件编程文件 适配报告
适配后时序仿真 CPLD/FPGA实现 ASIC实现
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常用EDA设计工具介绍
仿真软件
PSPICE仿真器在1985年第一次出现后，经历了不断
的增强和改造，已经被成千上万的工程师试验和证实；
PSPICE是为模拟和混合信号设计而特性化的仿真器。
使用其灵活的内部模型，用户可以仿真包括从高频系
统到低功耗IC设计的任何模拟系统，用户可以使用数
据表创建新器件的模型。它可以进行各种各样的电路
仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形
输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数
字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，
都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件
及元器件库。
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2. EWB仿真软件
EWB(Electronic Workbench)软件是Interactive
ImageTechnologies Ltd 在20世纪90年代初推出的电路仿
真软件。目前普遍使用的是，相对于其它EDA
软件，它是较小巧的软件（只有16M）。但它对模数电
路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真
实电路的结果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、
信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、
逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直
观，易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但
分析功能比PSPICE稍少一些。
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3. MATLAB 软件
MATLAB软件是有众多的面向具体应用的工具箱和仿
真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系
统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。
MATLAB软件具有下列功能：
数据分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统
设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型
开发；应用开发；图形用户界面设计等。
MATLAB产品族被广泛地应用于信号与图像处理、控制系统
设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB
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4. PCB设计软件
PCB(Printed—Circuit Board)设计软件种类很多，如
Protel； OrCAD；Viewlogic；PowerPCB；Cadence PSD；
目前Protel在我国用得最多，下面仅对此软件作介绍。
Protel 是Protel 公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，
是PCB设计者的首选软件。
早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在
普遍使用的是Protel99SE.
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包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电
路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含
印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件
设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作
等功能。
使用多层印制线路板的自动布线，可实
现高密度PCB的100%布通率。
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5. IC设计软件
IC设计工具很多，主要有Cadence、Mentor Graphics和
Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。
其它公司的软件相对来说使用者较少。下面按用途对IC设计软
件作一些介绍。
1）设计输入工具
任何一种EDA软件必须具备输入的功能。输入方法有硬件
描述语言HDL、原理图和状态机等输入方法。许多设计输
入工具都支持HDL。设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC
设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具、
Modelsim FPGA等。
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2）设计仿真工作
EDA设计中最重要的功能之一是验证工具，几乎每个公司
的EDA产品都有仿真工具。Verilog—XL、NC—verilog用于
Verilog仿真；Leapfrog用于VHDL仿真；Analog Artist用于模
拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器、
speedwaveVHDL仿真器、VCS—verilog仿真器。Mentor
Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真
器：ModelSim。Cadence、Synopsys用的是VSS（VHDL仿真
器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为
电路验证的工具。
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3）综合工具
综合工具可以把HDL变成门级网表。Synopsys工
具在这方面占有较大的优势，它的Design Compile是做
综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior
Compiler，可以提供更高级的综合。最近美国又出了
一个Ambit软件，比Synopsys的软件更有效，可以综合
50万门的电路，速度更快。现在Ambit被Cadence公司
收购。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司
开发了用于FPGA设计的综合软件，如Synopsys的
FPGA Express、Cadence的Synplity和Mentor的
Leonardo。这三家公司的FPGA综合软件占了市场的绝
大部分。
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4）布局和布线
在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比
较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已
可实现交互布线。如Cadence spectra，它原来是用于
PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。其
主要工具有：Cell3、Silicon Ensemble—标准单元布
线器；Gate Ensemble—门阵列布线器；Design
Planner—布局工具。其它各EDA软件开发公司也提
供各自的布局布线工具。
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5.物理验证工具
物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图
提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、
Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。
6.模拟电路仿真器
仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工
具，普遍使用PSPICE。
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7. CPLD/FPGA设计工具
它们的基本设计方法是借助于EDA设计软件，用原理图、
状态机、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用
编程器或下载电缆，由CPLD/FPGA目标器件实现。生产
CPLD/FPGA的厂家很多，但最有代表性的厂家为Altera、Xilinx
和Lattice 公司。
CPLD/FPGA的开发工具一般由器件生产厂家提供，但随着器
件规模的不断增加，软件的复杂性也随之提高，目前由专门的
软件公司与器件生产厂家合作，推出功能强大的设计软件。下
面介绍主要器件生产厂家和开发工具。
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1）Altera公司
Altera公司20世纪90年代以后发展很快。主要产品有：
MAX3000A、MAX 7000系列、Mercury、FELX10KE、
APEX20KE、APEX20KC、ACEX1K、APEX II、Stratix等。
其开发工具 MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新
又推出了Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设
计输入手段，绑定第三方VHDL综合工具，如：综合软件
FPGA Express、Leonard Spectrum、仿真软件ModelSim、
Cadence (Verilog—XL)等。
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2）Xilinx公司
Xilinx公司产品种类较全面，主要产品有：
XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex
等系列，其最大的Vertex—II Pro器件已达到800万门。
开发软件已从Foundation系列发展到现在ISE 。
ISE(Integrated System Configuration)是Xilinx提供的一
套工具集，它集成的工具可以完成整个CPLD/FPGA
的开发过程，它支持几乎所有的Xilinx公司的
CPLD/FPGA的主流器件。
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3. Lattice公司
Lattice是ISP（In—System Programmability）技术
的发明者，ISP技术极大地促进了PLD产品的发展。
中小规模PLD比较有特色。1999年推出可编程模拟器
件，1999年收购Vantis（原AMD子公司），成为第三
大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公
司（原Lucent微电子部）的FPGA部门。主要产品有
ispLSI2000/5000/8000，MACH4/5。开发软件为ISP
Synario、ispLever 。
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公司
Actel公司是反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反
熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和
宇航级上有较大优势。
end
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