张鹏琴
广州工商学院 电子信息工程系 510000
摘要：介绍了EDA技术的定义及特点，结合可编程逻辑器件分析了EDA技术的设计方法，并通过一个实例来介绍EDA技术在数字系统中的具体应用步骤，强调其在数字系统中的重要地位及作用。
关键词：EDA；可编程逻辑器件；数字系统
二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得到了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。同时， 为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路（ASIC）逐渐取代了通用全硬件LSI电路，而在这二者中，ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。总的来说，ASIC的制作可粗略地分为掩膜方法和现场可编程方法两大类。目前，业界大量可编程逻辑器件（PLD），尤其是现场可编程逻辑器件（FPGA）被大量地应用在ASIC的制作当中。在可编程集成电路的开发过程中，电子设计自动化（EDA）技术应运而生。EDA技术的出现，不仅为电子系统设计带来了一场革命性的变化，从某种角度来说，也成为其发展的必然。
1.EDA技术的基本概念及基本特征
它是以计算机科学和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学，拓扑逻辑学，微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术，它是在先进的计算机平台上开发出来的一整套实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，是当代电子设计技术的主流。其特点如下：（1）并行工程和“自顶向下”设计方法。并行工程是指一种系统化、集成化、并行的产品及相关过程的开发模式。“自顶向下”设计方法从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述。在功能一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实验级可以是印刷电路板或专用集成电路。（2）硬件描述语言。用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征，它使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征。它突出的优点是：语言的公司可利用性。（3）逻辑综合与优化。逻辑综合与优化功能将高层次的系统行为设计自动翻译成门级逻辑的电路描述，做到了设计与工艺的独立。优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小、更快的综合结果替代一些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。（4）开放性和标准化。任何一个EDA系统只要建立了一个符合标准的开放式框架结构，就可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作。新的EDA系统不仅能够实现高层次的自动逻辑综合、版图综合和测试码生成，而且可以使各个仿真器对同一个设计进行协同仿真，进一步提高了EDA系统的工作效率和设计的正确性。（5）库的引入。EDA工具之所以能够完成各种自动设计过程，关键是有各类库的支持。如逻辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的综合库、测试综合时的测试库等。
2.EDA技术的基本特征
总的来说，现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。它主要采用并行工程和自顶向下的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需求等等。然后从系统设计入手，在顶层进行功能的划分和结构设计，并用VHDL、Verilog-HDL、ABEL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具逐步发展成熟。
EDA工具的发展经历了两个大的阶段：物理工具和逻辑工具。现在EDA和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念：电子系统设计自动化。物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等等；逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。
目前，PLD已成为现代数字系统设计的主要手段。在系统可编程（ISP，即In-SystemProgrammable）逻辑器件的问世，将可编程器件的优越性发挥到了极致。它允许用户在系统中编辑和修改逻辑，给使用者提供了在不修改系统硬件设计的条件下重构系统的能力和硬件升级能力，使硬件修改变得象软件修改一样方便，系统的可靠性因此而提高。ISP技术即直接在用户设计的目标系统中或线路板上对PLD器件进行编程的技术，打破了使用PLD必先编程后装配的惯例，而可以先装配后编程，成为产品后还可反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术新的一页。
3.EDA技术的设计流程
EDA技术是将传统的“电路设计——硬件搭试——调试焊接”模式变为“功能设计——软件模拟——编程下载”方式，设计人员只需一台微机和相应的开发工具即可研制出各种功能电路。EDA技术将电子产品设计从软件编译、逻辑化简、逻辑综合、仿真优化、布局布线、逻辑适配、逻辑影射、编程下载、生成目标系统的全过程在计算机及其开发平台上自动处理完成。具体流程如图1所示：
图1 EDA技术设计流程
4.EDA技术在数字系统设计中的具体应用
4.1设计要求
本系统要求设计一个八位二进制计数器，时钟上升沿触发，可进行复位即清零控制，其结果要求通过数码管进行扫描显示。
4.2设计分析
根据设计要求，本系统可以通过同步计数器来完成计数部分，，可用两片74161级联来完成八位二进制的计数，且时钟同步，计数结果通过七段共阴数码管显示出来。
2.3具体实现
经过总体分析即顶层设计之后，就可以利用EDA工具和ISP技术向下进行具体的模块设计。
2.3.1逻辑输入
（1）计数器部分，EDA工具的重要特征之一是支持多种输入方式，如原理图输入方式、状态机输入方式、HDL高级语言输入方式等等。此部分的设计即以原理图输入方式为例来实现。（2）数码管显示部分，实质上是设计一个4—7线的BCD码显示译码器。此部分用硬件描述语言AHDL来设计，完成编译和综合后即生成相应的宏模块。
2.3.2逻辑实现与综合
EDA提供了良好的逻辑综合与优化功能，它能够将设计人员设计的逻辑级电路图自动地转换为门级电路，并生成相应的网表文件、时序分析文件和各种报表，若设计没有错误，最终可生成可以编程下载的.sof文件。
2.3.3编程下载
当设计人员确定设计工作已基本成功时，即可通过编程电缆下载数据流来进行硬件验证。验证合格后，总体设计工作即圆满完成。通过此例的设计流程讲述可知，EDA技术及其工具在数字电路系统（包括模拟电路系统）中正发挥着越来越重要的作用，其应用的深度和广度正在向更深层次延伸。
5.结论
电子系统的设计输入可以用原理图、波形、VHDL语言等方式输入，下载配置前的整个过程几乎不涉及到整个硬件，而硬件设计的修改也如同修改软件程序一样快捷方便，即通过软件方式的设计与测试，达到对特定功能的硬件电路的设计实现，这种现代电子系统设计技术采用自顶向下分层次、模块化设计方法，先化整为零，再优化综合，灵活通用，已成为研制、开发数字系统最理想的选择，是现代电子电路设计方法的一个趋势，体现了硬件设计向软件化方向发展的新思路。
参考文献：
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[4]许莉娅.数字电路逻辑与设计[M].北京：北京理工大学出版社，2006.
论文作者:张鹏琴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/9
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