ＥＤＡ設(shè)計(jì)快速入門

編者按隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件成為電子設(shè)計(jì)中常用的技術(shù)，有許多讀者發(fā)郵件或?qū)懶?，希望本刊增加這方面的內(nèi)容。本刊從今年開始，將“相約單片機(jī)”欄目改為“單片機(jī)與可編程邏輯器件”，并特約東北大學(xué)的杜玉遠(yuǎn)老師撰寫系列文章，以使讀者對其有一基本的認(rèn)識。

近年，數(shù)字化進(jìn)程的不斷加快，推動了具有高速度、高集成度、低功耗的可編程ASIC器件的發(fā)展，同時也推動了用于開發(fā)這類器件的EDA技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，電路設(shè)計(jì)構(gòu)成逐步地從中、小規(guī)模芯片轉(zhuǎn)為大規(guī)模、超大規(guī)模（LSI、VLSI）芯片，因此掌握EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，使用可編程大規(guī)模、超大規(guī)模（LSI、VLSI）芯片已經(jīng)成為從事電子設(shè)計(jì)人員必需具有的基本能力。本文將介紹如何在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)掌握這項(xiàng)技術(shù)，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中運(yùn)用。

1. 可編程ASIC器件選擇

在電路設(shè)計(jì)中使用可編程ASIC器件，簡單地說就是用大規(guī)模、超大規(guī)模（LSI、VLSI）芯片來代替中、小規(guī)模的芯片。在設(shè)計(jì)中主要依據(jù)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能來選擇器件。在EDA技術(shù)中所使用的大規(guī)模、超大規(guī)模（LSI、VLSI）芯片被稱為可編程ASIC芯片，這些芯片包含有通用的邏輯資源，經(jīng)過設(shè)計(jì)編程，就可以實(shí)現(xiàn)所需的功能。這些芯片根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可劃分為CPLD（Complex Programmable Logic Device）和FPGA （Field Programmable Gate Array）。CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱，其結(jié)構(gòu)與早期的PAL、GAL相似，內(nèi)部包含多個邏輯宏單元或宏模塊；FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱。

CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)的可編程ASIC芯片。代表的器件有Altera公司的MAX7000系列和Xilinx公司的XC9500系列等等。圖1是Altera公司MAX7000S系列的內(nèi)部基本編程結(jié)構(gòu)，從圖1中可以看出，MAX7000S系列的基本編程結(jié)構(gòu)是由邏輯陣列、乘積項(xiàng)選擇矩陣和可編程觸發(fā)器構(gòu)成的，這三部分都可以通過編程配置實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。不同型號器件中所包含的基本編程單元機(jī)構(gòu)相似，但包含基本單元的數(shù)量多少不等，即它們的容量不同。CPLD的編程信息是采用E2CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的，這種工藝具有非易失性，編程數(shù)據(jù)可以保持?jǐn)?shù)十年，此類器件只能對其進(jìn)行有限次（幾千次）編程。另外，可以對器件進(jìn)行加密，而且一旦被加密，很難破解。

FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基于查找表（LUT）技術(shù)的可編程ASIC芯片。代表的器件有Altera公司的FLEX、ACEX、APEX系列和Xilinx公司的XC4000、Spartan、Virtex系列等等。圖2是Xilinx公司的XC4000系列的基本可配置邏輯塊CLB結(jié)構(gòu)，從圖2可以看出，一個CLB由兩個獨(dú)立的4輸入查找表、一個3輸入查找表和兩個觸發(fā)器構(gòu)成。查找表實(shí)際上是一個RAM結(jié)構(gòu)，一個4輸入的查找表就是一個16×1 RAM單元，通過編程可以實(shí)現(xiàn)4輸入變量的任意邏輯函數(shù)。CLB內(nèi)部的兩個觸發(fā)器通過編程，可以配置成不同類型的觸發(fā)器。圖2中的梯形符號均為可編程的數(shù)據(jù)選擇器符號，對這些數(shù)據(jù)選擇器的控制端編程，就可以改變CLB的配置結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對器件的編程控制。數(shù)據(jù)選擇器的選擇控制端是由SRAM控制的，也就是說，F(xiàn)PGA的編程信息是通過SRAM實(shí)現(xiàn)的。由于器件掉電后，SRAM中的數(shù)據(jù)會丟失，因此，設(shè)計(jì)中需要根據(jù)情況為器件提供上電配置的電路，以保證上電后器件可以正常工作。配置FPGA的數(shù)據(jù)是存儲在非易失數(shù)據(jù)存儲器中的，使用時不便對其加密。

由此可見，CPLD內(nèi)部具有大量的乘積項(xiàng)和較少的觸發(fā)器，而FPGA正好相反，其內(nèi)部具有較少的組合邏輯資源和較多的觸發(fā)器。當(dāng)設(shè)計(jì)中組合邏輯電路成分較多，而時序電路成分較少的電路時，或者需要很好的加密功能時，選擇CPLD比較適合，例如設(shè)計(jì)寬譯碼器和復(fù)雜編碼器時，最好選擇CPLD。當(dāng)我們要設(shè)計(jì)功能較為復(fù)雜的時序電路時，由于復(fù)雜的時序電路需要大量的觸發(fā)器單元，例如設(shè)計(jì)ALU，選擇FPGA則比較適合。

2. EDA開發(fā)系統(tǒng)選擇

為了學(xué)習(xí)和使用可編程ASIC器件，需要有一個合適的開發(fā)平臺，即EDA開發(fā)系統(tǒng)。EDA開發(fā)系統(tǒng)按功能劃分為集成開發(fā)系統(tǒng)、綜合系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)。集成開發(fā)系統(tǒng)一般是由可編程ASIC器件生產(chǎn)廠商開發(fā)的開發(fā)系統(tǒng)平臺，用戶利用這些開發(fā)平臺可以完成全部設(shè)計(jì)工作。代表的開發(fā)平臺如Xilinx公司的Foundation系列、Altera公司的MaxplusII 系列和QuartusII系列。綜合系統(tǒng)一般是由第三方軟件開發(fā)商開發(fā)的，為各器件廠商和普通用戶提供對原始設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行綜合產(chǎn)生編程數(shù)據(jù)的軟件，代表的綜合系統(tǒng)如Synplicity公司的Synplicity 系列。仿真系統(tǒng)是僅用于對設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真的EDA軟件，一般也是由第三方開發(fā)的，它不能生成編程數(shù)據(jù)，只用作設(shè)計(jì)初期工作，也就是說它不涉及具體的器件。代表的仿真系統(tǒng)如Aldec公司的Active-HDL。

由此可見，作為初學(xué)者應(yīng)將功能齊全、能夠完成全部設(shè)計(jì)工作的集成開發(fā)系統(tǒng)作為EDA開發(fā)系統(tǒng)的首選。附表是Xilinx公司的Foundation系列和Altera公司的QuartusII系列的性能對比表，從附表中可以看出：兩種集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程基本相同，只是各自采用的具體程序不同，初學(xué)用戶可以根據(jù)自己喜好的需要選擇一種作為入門系統(tǒng)來學(xué)習(xí)，一旦掌握一種系統(tǒng)，很容易學(xué)習(xí)其它系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，Altera公司的Quartus II系統(tǒng)提供了較多與74系列中小規(guī)模器件完全相同的設(shè)計(jì)元件，對于初學(xué)者更容易開始設(shè)計(jì)；Xilinx公司的Foundation系統(tǒng)提供了較好的圖形導(dǎo)航界面，對于初學(xué)者更容易掌握軟件的使用。

3. EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇

無論集成開發(fā)系統(tǒng)功能如何強(qiáng)大，仿真功能如何準(zhǔn)確，為了更快更好地學(xué)習(xí)和使用CPLD/FPGA，都需要有一個開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺根據(jù)其性能可以分為兩類：評估平臺和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。評估平臺是用來對某一個具體的器件的功能進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺，評估板大多占用CPLD/FPGA的引腳資源，用戶只能在此硬件約束的條件下，對器件驗(yàn)證和評估，而不能進(jìn)行其它設(shè)計(jì)。在這類評估平臺上，只可以完成特定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如各廠商提供的EVM板就屬于這一類平臺。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則是一種開放的平臺。所謂開放的實(shí)驗(yàn)平臺是與各種評估板相對而言的。圖3所示為一個開放式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（多功能EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)），從圖3中可以看出，該多功能EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主板和子板構(gòu)成，用戶通過更換不同類型的子板，就可以實(shí)現(xiàn)對不同廠家的不同類型芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，還提供了豐富的輔助資源以及單片機(jī)調(diào)試接口。在這個系統(tǒng)中，不僅可以對CPLD/FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以利用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)方便地進(jìn)行CPLD/FPGA與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。另外，多功能EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還應(yīng)該提供獨(dú)立的下載編程電纜，并且編程接口與各公司所提供的編程電纜接口完全相同，這樣可以為用戶的目標(biāo)系統(tǒng)提供器件編程服務(wù)。

4. EDA開發(fā)流程

根據(jù)自己的需要選擇了器件、開發(fā)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，就可以開始EDA設(shè)計(jì)了。利用集成開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。設(shè)計(jì)一般可分為設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)綜合和器件編程三個步驟。設(shè)計(jì)輸入是由設(shè)計(jì)者完成，作為最原始的設(shè)計(jì)輸入；設(shè)計(jì)綜合包括優(yōu)化、合并、映射、布局、布線等工作，并產(chǎn)生最終的下（上接25頁）載數(shù)據(jù)文件；器件編程是將設(shè)計(jì)輸出的數(shù)據(jù)文件通過下載電纜寫入到可編程器件內(nèi)部，使其實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。 EDA開發(fā)系統(tǒng)同時還具有功能仿真和時序仿真的功能，通常情況下，這些仿真結(jié)果是可以信賴的，開發(fā)系統(tǒng)一般是以最壞的情況給出仿真結(jié)果的，實(shí)際的工作情況比仿真結(jié)果會好一些。為了提高設(shè)計(jì)效率，必須正確掌握功能仿真和時序仿真的方法，準(zhǔn)確理解仿真結(jié)果，以便于及時修改設(shè)計(jì)，而不必采用反復(fù)下載方式來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。圖4中的虛器件測試是EDA設(shè)計(jì)的最后一步，是在EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或目標(biāo)系統(tǒng)中完成的。在整個設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)輸入是最關(guān)鍵的，是由設(shè)計(jì)者對器件所實(shí)現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能進(jìn)行描述階段。設(shè)計(jì)輸入一般有電路圖輸入法、真值表輸入法、狀態(tài)機(jī)輸入法、波形輸入法、硬件描述語言輸入法等等，其中電路圖輸入和硬件描述語言輸入是最常用的兩種輸入形式。

電路圖輸入法是把數(shù)字系統(tǒng)用邏輯圖來表示的輸入方法，使用元件符號和連線等來描述設(shè)計(jì)。電路圖描述要求設(shè)計(jì)工具提供必要的元件庫和邏輯宏單元庫。這種輸入方法具有條理清楚、易學(xué)、易用等優(yōu)點(diǎn)。比較適用于初學(xué)者使用和較小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。幾乎所有的可編程器件開發(fā)系統(tǒng)都支持這種輸入方法。但是電路圖輸入法具有可移植性、可讀性較差、不便于交流的缺點(diǎn)。

硬件描述語言是用文本形式描述設(shè)計(jì)，常用的硬件描述語言有不同語言形式。常用的有ABEL-HDL、VHDL和Verilog HDL。 ABEL-HDL支持布爾方程、真值表、狀態(tài)機(jī)等邏輯表達(dá)方式。適合對計(jì)數(shù)器、譯碼器、比較器和狀態(tài)機(jī)等邏輯功能的描述。VHDL和Verilog HDL類似于C語言，在描述復(fù)雜設(shè)計(jì)時，非常簡潔，具有很強(qiáng)的邏輯描述功能，適合設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)過程中，往往采用層次化設(shè)計(jì)方法，分模塊、分層次地進(jìn)行設(shè)計(jì)描述。描述系統(tǒng)總功能的設(shè)計(jì)為頂層設(shè)計(jì)，描述系統(tǒng)中較小單元的設(shè)計(jì)為底層設(shè)計(jì)。層次化設(shè)計(jì)方法比較自由，可以在任何層次使用電路圖或硬件描述語言進(jìn)行描述。根據(jù)兩種輸入方式的特點(diǎn)，通常我們在頂層設(shè)計(jì)中采用電路圖輸入方式，而在底層設(shè)計(jì)中，采用硬件描述語言描述模塊的邏輯功能。

結(jié)語

在學(xué)習(xí)EDA技術(shù)過程中，無論選擇何種器件和開發(fā)系統(tǒng)，采用何種設(shè)計(jì)輸入方式和設(shè)計(jì)方法，一旦掌握了這種技術(shù)，它一定會給電路設(shè)計(jì)帶來巨大效益。作為初學(xué)者還應(yīng)注意的是，無論集成開發(fā)系統(tǒng)的功能如何完備，其仿真能力多么準(zhǔn)確，僅在集成開發(fā)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)EDA技術(shù)，都將是“紙上談兵”，只有將設(shè)計(jì)下載到器件中，才算完成設(shè)計(jì)全部過程，才能真正把握和理解器件的性能，真正體會到EDA技術(shù)的優(yōu)越性，也才能真正發(fā)揮EDA技術(shù)的作用。