第1节 数字系统EDA技术发展概述
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电子设计自动化（Electronics Design Automation, EDA）技术是一门迅速发展的新技术。EDA设计就是在计算机上通过特定功能的软件开发工具，协助设计人员以全自动或半自动化方式完成所要求电子系统的设计。EDA技术的不断发展，使得电子系统的设计效率大大提高，设计成本大大降低，并且提高了电子系统的设计可靠性，推动了信息技术的不断发展。
EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将EDA技术分成狭义EDA技术和广义EDA技术。
狭义EDA技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。狭义EDA技术也就是使用EDA软件进行数字系统的设计，这也是本书所要介绍的内容。
广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过程。因此，广义EDA技术除了包含狭义的EDA技术外，还包括计算机辅助分析CAA技术(如PSPICE，EWB，MATLAB等)，印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如PROTEL，ORCAD等)和其它高频和射频设计和分析的工具等。
1.1.1 数字系统设计技术发展历史
1.1.1.1 数字逻辑和计算机的发展背景
在过去的60年中，数字逻辑改变了整个世界，整个世界朝着数字化方向发展。今天我们所熟悉的计算机在第二次世界大战后才出现在人类世界中。表1.1给出了在计算机和数字逻辑发展历史上的重大事件。从该表可以看出数字逻辑设计技术经过了近400年的逐步进化的过程。
公元前3000年出现的算盘是最早帮助人类进行计算的工具，直到今天它仍然还发挥着其重要的作用。但是直到16世纪，人类才开始真正的设计帮助人类进行计算机的机器。这些计算机器中，最著名的是Blaise Pasacal于19岁时发明的Pascaline，用于帮助其父亲进行税务计算工作。Pascal建立了5-8个数字版本的pascaline，每个数字和一个表盘、轴和齿轮关联。该计算器能进行加法和减法（通过生成减数的9位补码进行加法运算）。该计算器由于机械故障导致失败，其运算能力是有限的。
Charles Babbage被认为是&计算机之父&。它努力生产一种机器，它能用于计算数学表（比如对数），在1822年建立了差分机的工作模型。这个机器通过差分方法来计算在一个表中的6位数字。Babbage为全面的差分机制定了详细的计划，能计算到20位，并且生产一个金属盘用于打印表格。这个机器使用蒸汽运行，10英尺高，10英尺宽，5英尺深。通过英国政府的资助，Babbage和他的主要的机械工程师一起工作尝试建立差分机器。这里有很多技术和个人问题（当前的机器工具不能满足Babbage的精度要求，她妻子的病逝和机械师的意见不一致），一直妨碍着这个机器的建成。在1834年，Babbage设想了一种更强的分析机，它能解决数学问题。政府于1842年终止了这个项目。Babbage尽管知道在那个时代不可能建立分析机，但是在他余生致力于设计这种机器。他给出了分析机的大量的注释，包含成百个轴和上千个齿轮和轮子。它有今天计算机的很多元件，包括：存储器和CPU。打孔卡用于机器的外部编程。
使用自动织机打孔进行编程的灵感由Joseph-Marie Jacquard于1801年发明。在1880年，Herman Hollerith作为美国人口普查的代理人开始工作。从1880年普查的数据将花很多年进行制表。在此期间的1882年，在MIT，他成为机械工程的教员，发明了一个电子机械式系统，能用于对包含统计数据的打孔卡进行计算和分类。该机器用于在6个星期内对1890年的人口统计数据进行制表。1896年，Hollerith成立了制表机器公司，后来成为IBM公司。
在研制计算机方面的下一个主要的推动力是在二次世界大战时，在宾夕法尼亚大学的电气工程摩尔学院电子数字积分器和微分器ENIAC的研制。J.Presper Eckert和John W.Mauchly是这个大型电子计算器的主要设计者。1944年，开始专注下一个计算机电子离散变量计算机EDVAC的研制，这是首个存储程序计算机。然而，由于在专利权方面的意见不一，他们于1946年离开了摩尔学院，建立他们自己的公司-电子控制公司，其目标是生产通用的自动化计算机UNIVAC。资金问题导致他们于1948年重新组建了Eekert-Mauchly计算机公司，于1950年卖给了Remington Rand。
IBM公司于1953年发布了首台电子计算机，比贝尔实验室发明晶体管提早了6年。晶体管的出现对数字逻辑和计算机产生了深远的影响。在半导体内的电子能控制电流和电压的思想对现代半导体的发展产生了深远的影响。固态技术的推进使得在上世纪六十年代产生了集成电路，并分别在上世纪七十和八十年代分别诞生了微处理器和可编程逻辑设备。
从图1.1所示，看到在1965年戈登.摩尔给出了世界上著名的&摩尔定律&，并且于1975年进行了修正，在过去的35年以来，被证明是非常正确的。该定律的内容是：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律成为半导体工艺不断发展的指南。图1.1清楚的表明了半导体发展趋势和摩尔定律相吻合。
微处理器的发展，对人类的生活产生了重要的影响。今天，处理器几乎嵌入到了所有的产品中，范围从手机到汽车等方面。通用微处理器执行保存在存储器里的程序指令，用于实现特定的算法。随着现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的发展，很多算法可以在硬件中直接实现，而不需要在存储器中保存程序指令。当使用硬件直接实现时，算法的实现更快。
1.1.1.2 现代数字系统设计发展阶段
从表1可以看出，现在数字系统设计的发展是随着计算机的出现、集成电路制造水平和电子系统设计方法的发展而不断发展的，主要经历了计算机辅助设计(CAD,Computer Assist Design)，计算机辅助工程设计(CAE,Computer Assist Engineering)和电子设计自动化(EDA,Electronic Design Automation)三个发展阶段。
1)计算机辅助设计阶段
早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中小规模标准集成电路，人们将这些器件焊接在电路板上，做成初级电子系统，对电子系统的调试是在组装好的PCB(Printed Circuit Board)板上进行的。
由于设计师对图形符号使用数量有限，传统的手工布图方法无法满足产品复杂性的要求，更不能满足工作效率的要求。这时，人们开始将产品设计过程中高度重复性的繁杂劳动，如布图布线工作，用二维图形编辑与分析的CAD工具替代，最具代表性的产品就是美国ACCEL公司开发的Tango布线软件。20世纪70年代，是EDA技术发展初期，由于PCB布图布线工具受到计算机工作平台的制约，其支持的设计工作有限且性能比较差。
2)计算机辅助工程阶段
初级阶段的硬件设计是用大量的标准芯片实现电子系统设计。随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万直到上百万储存单元的随机存储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件(PAL和GAL)等一系列微结构和微电子学的研究成果都为电子系统的设计提供了新天地。因此，可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统的设计。
伴随计算机和集成电路的发展，EDA技术进入到计算机辅助工程设计阶段。20世纪80年代初，推出的EDA工具则以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品的功能与性能，能生成产品制造文件，在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。
如果说20世纪70年代的自动布局布线的CAD工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，那么，到了20世纪80年代出现的具有自动综合能力的CAE工具则代替了设计师的部分工作，对保证电子系统的设计，制造出最佳的电子产品起着关键的作用。到了20世纪80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证，CAE阶段的EDA工具不仅为成功开发电子产品创造了有利条件，而且为高级设计人员的创造性劳动提供了方便。但是，大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂电子系统的设计要求，而具体化的元件图形制约着优化设计。
3)电子系统设计自动化阶段
为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是自己设计芯片，把想设计的电路直接设计在专用芯片上。微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展，使得微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA工具的发展，又为设计师提供了全线EDA工具。这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期将设计师从事的许多高层次设计由工具来完成，如可以将用户要求转换为设计技术规范，有效的处理可用的设计资源与理想的设计目标之间的矛盾，按具体的硬件、软件和算法分解设计等。由于电子技术和EDA工具的发展，设计师可以在不太长的时间内使用EDA工具，通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。硬件描述语言HDL的出现是这个阶段最重要的成果，由于HDL语言的出现使得EDA设计进入到抽象描述的设计层次。
20世纪90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从单个电子产品开发转向系统级电子产品开发(即片上系统集成，System on a chip)。因此，EDA工具是以系统机设计为核心，包括系统行为级描述与结构综合，系统仿真与测试验证，系统划分与指标分配，系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工具。
1.1.2 集成电路芯片的发展历史
1.1.2.1 半导体集成电路的发展历史
从数字逻辑发展图可以知道集成电路的发展分为了四个主要的阶段：
1）在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路，其集成的晶体管数量少于100个，该集成电路称为小规模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit, SSI）。
2） 在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路（Medium-Scale Integrated Circuit, MSI）,其集成的晶体管数量达到几百个。
3） 在上世纪70年代中期，出现了大规模集成电路（Large-Scale Integrated Circuit, LSI），其集成的晶体管数量达到几千个。
4） 在上世纪80年代早期，出现了超大规模集成电路（Very-large-scale-integrated, VLSI），其集成的晶体管的数量超过了100,000个。到上世纪80年代后期，集成的晶体管数量超过了1,000,000个。到上世纪90年代，集成的晶体管数量超过了10,000,000，而到了2004年，这一数量已经超过了100,000,000个。现在这一数量突破1,000,000,000个。
1.1.2.2 可编程逻辑器件的发展历史
可编程逻辑器件的发展伴随着半导体集成电路的发展而不断发展，其发展可以划分为以下4个阶段：
1．第1阶段
上世纪70年代，可编程器件只有简单的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦只读存储（EEPROM）3种，由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
2．第2阶段
上世纪80年代，出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）器件，正式被称为PLD，能够完成各种逻辑运算功能。典型的PLD由&与&、&非&阵列组成，用&与或&表达式来实现任意组合逻辑，所以PLD能以乘积和形式完成大量的逻辑组合。PAL器件只能实现可编程，在编程以后无法修改；如需要修改，则需要更换新的PAL器件。但GAL器件不需要进行更换，只要在原器件上再次编程即可。
3．第3阶段
上世纪90年代，Xilinx和Altera分别推出了与标准门阵列类似的FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD，提高了逻辑运算的速度，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，兼容了PLD和通用门阵列的优点，能够实现超大规模的电路，编程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000）产品生产的首选。这一阶段，CPLD、FPGA器件在制造工艺和产品性能都获得长足的发展，达到了0.18 工艺和系数门数百万门的规模。
4． 第4阶段
本世纪初，在该阶段出现了SOPC技术，是PLD和ASIC技术融合的结果。可编程逻辑器件厂商也提供了SOPC解决方案。典型的，Xilinx和Altera也推出了相应SOPC FPGA产品，制造工艺达到65nm/40nm/28nm工艺水平，系统门数也超过百万门。并且，这一阶段的FPGA器件内嵌了时钟频率高达500MHz的PowerPC硬核微处理器和800MHz的ARM硬核嵌入式处理器，并且也提供了低成本的嵌入式软核处理器，如Xilinx公司的MicroBlaze、Picoblaze，Altera公司的NiosII，实现了软件需求和硬件设计的完美结合，使PLD的应用范围从数字逻辑扩展到了嵌入式系统领域。&
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高等学校计算机应用规划教材：EDA技术与VHDL程序开发基础教程
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　　《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》主要讲解了EDA技术和VHDL硬件描述语言的使用，共10章，内容包括EDA工具的发展历程和设计理念，可编程逻辑器件的原理和分类，VHDL的程序结构和基本语法，开发套件Quartusll方法，顺序语句和并行语句的使用，VHDL，中的属性描述，VHDL的层次化设计方法，VHDL在通信和DSP系统中的应用等。通过大量数字电路和数字系统的案例，给读者演示了VHDL在数字系统设计中充当的角色以及利用VHDL。语言进行数字系统设计的基本步骤和具体方法。《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》配有大量的设计实例和配套的实验练习，力求使读者掌握VHDL硬件描述语言的基础知识，了解简单数字系统的设计原理、设计方法和设计步骤。《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》还针对目前FPGA的主流应用领域如微控制系统、通信系统和DSP系统给出了系统级别的设计实例，希望读者结合实例进一步掌握使用VHDL。设计数字系统的技能。《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》可作为高等院校电子、通信、自动化、计算机等信息工程类相关专业学生的教学用书，也适合从事EDA技术应用与研究的专业技术人员参考。　　《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》详细介绍了EDA技术和VH
DL硬件描述语言，主要内容包括EDA工具的发展历程和设计理念，可编程逻辑器件的原理和分类，VHDL的程序结构和基本语法，开发套件Quartus
l用方法，顺序语句和并行语句的使用，VHDLl中的属性描述，VHDL的层次化设计方法，VHDL在通信和DSP系统中的应用等。
工程简介1.2
DA术的发展历程和未来展望1.2.1
计算机辅助设计阶段1.2.2
计算机辅助工程设计阶段1.2.现代电子系统设计自动化阶段1.2.4
EDA技术的未来展望1.3
EDA技术的应用1.3.1
PCB设计1.3.2
ASIC设计1.3.3
CPLD／FPGA设计1.4
EDA工程的设计流程1.4.1
设计输入1.4.2
逻辑综合和优化1.4.布局布线和适配1.4.4
工程设计的仿真1.4.5
目标器件的编程和下载1.4.6
硬件电路的后仿真验证和测试1.5
EDA集成开发工具1.5.1
QuartusII1.5.2
ISE+ModelSim1.5.3
ispL，EVER1.5.4
其他开发工具1.6
EDA技术的学习重点和学习方法1.6.1
EDA技术的学习重点1.6.2
EDA技术的学习方法1.7
本章小结1.8
思考和练习1.8.1
可编程逻辑器件2.1
可编程逻辑器件概述2.1.1
可编程逻辑器件的发展2.1.2
可编程逻辑器件的分类2.2
PLD内部结构的表示方法2.3
CPLD的基本结构和工作原理2.3.1
CPLD的基本结构2.3.2
Lattice公司的CPLD2.3.3
Altera公司的CPLD2.4
FPGA的结构和工作原理2.4.1
FPGA的基本结构2.4.2
Altera公司的FPGA2.4.3
Xilinx公司的FPGA2.5
FPGA的配置方式2.5.1
主动串行配置2.5.2
主动并行配置2.5.3
菊花链配置2.6
CPLD／FPGA的应用选型2.6.1
器件逻辑资源的选择2.6.2
芯片速度的选择2.6.3
器件功耗的选择2.6.4
器件封装的选择2.6.5
CPLD／FPGA的选择2.7
本章小结2.8
思考和练习2.8.1
选择2.8.问答第3章
VHDL硬件描述语言3.1
硬件描述语言概述3.1.1
硬件描述语言HDL3.1.2
HDL的种类3.1.3
VHDL语言的特点3.1.4
VHDL和Verilog的比较3.1.5
VHDL的硬件环境3.2
VHDL程序的基本结构3.2.1
VHDL的设计风格3.2.2
VHDL设计简述3.2.3
VHDL的实体说明3.2.4
VHDL的结构体3.VHDL的基本词法3.3.1
标识符3.3.2
数据类型3.3.4
类型转换3.5
运算操作符3.4
VHDL的基本语句3.4.1
赋值语句3.4.2
IF语句3.4.3
CASE语句3.4.4
LOOP语句3.4.5
PROCESS语句3.6
COMPONENT语句3.4.7
PORTMAP端口映射语句3.5
VHDL的描述风格3.5.1
行为级描述3.5.2
数据流描述3.5.3
门级描述3.5.4
混合描述3.6
本章小结3.7
思考和练习3.7.1
Quartusll操作指南4.1
Quartusll基本设计流程4.1.1
创建工程4.1.2
编译工程4.1.3
时序仿真4.1.4
Viewer工具4.1.5
引脚锁定和下载4.2
嵌入式逻辑分析仪SignalTapll4.2.1
SignalTapll的启动4.2.2
调入待测信号4.2.3
SignalTap印II的参数设置4.2.4
SignalTapII文件的保存和编译下载4.2.5
SignalTapII的采样分析4.3
LPMROM宏模块的使用4.3.1
LPMROM宏模块的工作原理4.3.2
初始化数据文件4.3.3
定制LPMROM元件4.3.4.项层文件的仿真测试4.4
本章小结4.5
思考和练习4.5.1
VHDL基本逻辑电路设计5.1
组合逻辑电路设计5.1.1
基本门电路的设计5.1.2
三态门及总线缓冲器的设计5.1.3
优先编码器的设计5.1.4
译码器的设计5.1.5
运算器的设计5.1.6
多路选择器的设计5.2
时序逻辑电路设计5.2.1
触发器的设计5.2.2
寄存器的设计5.2.3
计数器的设计5.3
存储器设计5.3.1
只读存储器的设计5.3.2
静态数据存储器的设计5.3.3
先进先出堆栈的设计5.4
状态机设计5.4.1
状态机概述5.4.2
Moore状态机的设计5.4.3
Mealy状态机的设计5.4.4
容错状态机的设计……第6章
VHDL语句进阶第7章
VHDL的属性描述和仿真延时第8章
VHDL层次化程序设计第9章
VHDL的数字系统设计第10章
VHDL在通信和DSP系统中的应用
　　电子设计自动化（Eleetronic
Automation，EDA）技术是指包括电路系统设计、系统仿真、设计综合、PCB版图设计和制版的一整套自动化流程。随着计算机、集成电路和电子设计技术的高速发展，EDA技术历经计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）等发展历程，已经渗透到生活的各个方面，日益成为电子信息类产品的支柱产业。　　EDA技术主要包括大规模可编程逻辑、硬件描述语言、软件开发工具等内容。目前，应用最为广泛的大规模可编程逻辑是复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA），硬件描述语言（HDL）主要有VHDL、VerilogAHDLABEl-AHDL、SystemVerilog和SystemC等，主流的.EDA软件工具则有MAX+plusII、QuartusII、isp
Expert、Foundation
Series、ISE／ISE-WebPACKSeries等。《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》采用IEEE标准硬件描述语言ⅦDL对数字电路和系统进行性能描述，以Altera公司的QuartusII软件为集成开发环境，对EDA技术进行了深入、详尽的阐述。　　《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》共分为10章，编写时首先介绍EDA工程和HD语言的概念，然后讨论了目前已有的可编程逻辑器件，最后介绍了VHDL语言的语法、句法和设计方法。第1章简单介绍了EDA工具在现代数字系统设计中的角色、设计流程和学习方法。通过介绍：EDA工具的发展历程，向读者阐述现代数字系统的发展方向和设计理念。第2章基于可编程逻辑器件的原理和分类，主要介绍复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）两种芯片的结构和工作原理。第3章主要介绍VHDL的发展和程序结构。通过学习VHDL的程序结构、基本词法和基本句法，读者可以编写简单的数字电路模块。第4章主要介绍。Altera公司配套的EDA开发套件QuartusII的使用方法。第5章通过若干个具体数字电路的设计实例，详细说明如何在实际设计中应用VHDL，语言来设计小型系统，包括组合电路、时序电路、存储器以及状态机。第6章较系统地介绍顺序语句和并行语句中一些VHDL高级语句的用法，如块语句（BLOCK）、断言语句（ASSERT）、等待语句（WAIT）等。第7章主要讨论在VHDL中，系统提供了哪些属性供工程师使用以及这些属性所代表的意义和用法。第8章主要以VHDL的层次化设计方法为核心，重点介绍VHDL语言在进行大型系统设计时如何将目标进行合理的分解，然后再进行高层次整合，从而有效提高工作效率和项目的可靠性。第9章通过6个具体的设计实例向读者介绍VHDL在数字系统设计中充当的角色以及利用VHDI，语言进行数字系统设计的基本步骤和具体方法。第10章基于VHDL硬件描述语言详细地介绍VHDL在通信和DSP系统中的应用。　　《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》实例典型，内容丰富，有很强的针对性。不仅详细介绍了VHDL语言的基本用法，还讲解了作为高层次综合语言的众多特点。此外，书中各章都配有大量的练习题供读者学习使用。读者只需按照书中介绍的步骤一步步地实际操作，就能完全掌握《EDA技术与VHDL程序开发基础教程》的内容。
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随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展,电子电路设计方法发生了根本性变革,现代电子技术的核心就是EDA(E lectronic Design Automa-tion)技术。1 EDA技术1.1 EDA技术及其发展阶段EDA技术就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达
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