EDA技術(shù)在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

苗瑾超，郭 勤，邵鵬飛，2，劉 超

（1.新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院阿克蘇校區(qū)，阿克蘇 843000；2.浙江萬里學(xué)院，寧波 315000）

數(shù)字電路設(shè)計(jì)作為我校電子信息專業(yè)一門重要的實(shí)踐類課程，針對培養(yǎng)應(yīng)用型人才，該課程具有理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，且實(shí)踐性較強(qiáng)。隨著電子信息的發(fā)展，社會對人才需求的變化，高校的傳統(tǒng)教學(xué)也得到了前所未有的挑戰(zhàn)。同時(shí)，我校教師也一直在探索關(guān)于數(shù)字電路教學(xué)的改革，以適應(yīng)新形勢下應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求。

電子設(shè)計(jì)自動化（Electronic Design Automation，EDA）技術(shù)是新興的電子設(shè)計(jì)自動化工具，是目前世界電子設(shè)計(jì)的最新技術(shù)方向和潮流[1]。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，EDA作為一種重要的實(shí)驗(yàn)工具使傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式得到了改變，實(shí)驗(yàn)的操作過程得到了一定的簡化，同時(shí)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量也得到了提高，最終使得學(xué)生的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)能力得到了提高。

1 EDA技術(shù)基本特征

EDA作為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心，以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷‵PGA/COLD）為載體，以計(jì)算機(jī)為工作平臺，在EDA軟件開發(fā)環(huán)境下，采用硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）編寫設(shè)計(jì)文件，而一系列的編譯、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真[1]，直到編程下載等工作都可自動的完成。電路的邏輯功能與器件無關(guān)，采用的是用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的過程中就像軟件設(shè)計(jì)一樣方便高效，對設(shè)計(jì)者的硬件電路方面的知識需求較低，各可編程器件之間可移植性好，因此適合多個(gè)設(shè)計(jì)者協(xié)同分工設(shè)計(jì)，可縮短開發(fā)周期。EDA技術(shù)具備采用高級硬件語言描述的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級仿真具有較強(qiáng)的綜合性能[1]。它主要采用的是“自頂向下”和并行工程的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)者一開始就將產(chǎn)品生成周期、成本、質(zhì)量、開發(fā)時(shí)間等一系列因素考慮到其中。然后系在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要先從整體要求入手，“自頂向下”將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為不同的功能。在設(shè)計(jì)中每個(gè)階段都可進(jìn)行仿真，并及時(shí)改正設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。高層次系統(tǒng)采用硬件描述語言，最后具體的門級邏輯電路網(wǎng)表文件需要用邏輯綜合優(yōu)化工具來產(chǎn)生，而專用集成電路或印刷電路板的實(shí)現(xiàn)是對應(yīng)的物理級得到的。

我校EDA實(shí)驗(yàn)室主要采用的是Quar tusI I軟件。QuartusII是Altera公司推出的一款綜合性可編程邏輯器件開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)者可直接用硬件描述語言或原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于內(nèi)部器件不需要精通，且設(shè)計(jì)速度快。該軟件最主要的特點(diǎn)為：運(yùn)行速度快、易學(xué)易用。

2 EDA技術(shù)設(shè)計(jì)流程

EDA技術(shù)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

（1）設(shè)計(jì)輸入。一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目可由單個(gè)或多個(gè)原文件組織而成，它們可以是原理圖文件、混合輸入文件、VHDL文本文件等。

（2）綜合。綜合的關(guān)鍵是將Verilog HDL的軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路，使兩者進(jìn)行掛鉤，完成綜合必須借助EDA軟件的綜合器。對供應(yīng)商提供的某一FPGA/CPLD產(chǎn)品可針對其源文件進(jìn)行綜合。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的邏輯電路圖可利用EDA軟件提供的邏輯綜合和優(yōu)化功能將其自動地轉(zhuǎn)化為門級電路，同時(shí)還會生成對應(yīng)的時(shí)序分析文件和網(wǎng)表文件。

（3）布線布局。在綜合之后的網(wǎng)表文件利用布局/布線適配器針對某一具體的器件進(jìn)行邏輯映射操作，將其映射操作（包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布線等操作）配置于目標(biāo)器件中。

（4）仿真。在EDA設(shè)計(jì)中最重要的步驟就是仿真，即是下載編程前，利用EDA工具對適配產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行模擬測試。在EDA設(shè)計(jì)過程中仿真可分為兩種不同級別的仿真測試，即時(shí)序仿真和功能仿真。其中，時(shí)序仿真是完全考慮了器件的硬件特性，并根據(jù)適配器產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行仿真，仿真精度較高，因?yàn)樗罱咏谄骷恼鎸?shí)運(yùn)行。功能仿真不會考慮到硬件特性，對設(shè)計(jì)者所描述的邏輯功能進(jìn)行仿真，且完全滿足設(shè)計(jì)者的要求。

（5）編程下載。通過仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)完成后，采用Byteblaster下載電纜線以JTAG方式將適配生成的下載或配置文件下載至FPGA/CPLD器件內(nèi)，方便于硬件的調(diào)試和驗(yàn)證。

上述步驟完成后，將統(tǒng)一對整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，得到及時(shí)的解決。

圖1 EDA技術(shù)設(shè)計(jì)流程圖

3 EDA技術(shù)的優(yōu)勢及在數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于初學(xué)階段的學(xué)生對硬件電路的功能及特性的不熟悉，導(dǎo)致在連接電路時(shí)易出錯(cuò)，在檢查錯(cuò)誤過程中也會浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，一旦出錯(cuò)，將導(dǎo)致電路出現(xiàn)一些不正常或無法預(yù)知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終使實(shí)驗(yàn)失敗，甚至還可能會出現(xiàn)損壞電路元器件、實(shí)驗(yàn)測試儀器及一些無法預(yù)測的安全事故。引入EDA后的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)可通過用硬件描述語言去描述電路的功能，將硬件采用“軟件”的方式去描述，大大降低了設(shè)計(jì)時(shí)間及設(shè)計(jì)難度。“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念始終貫穿于EDA設(shè)計(jì)中，而人們也習(xí)慣于這種思維方式，因此電路設(shè)計(jì)的邏輯性較強(qiáng)，同時(shí)也便于學(xué)生思維的發(fā)展和提高，使學(xué)生具有一定的成就感，提高其學(xué)習(xí)的積極性。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路采用的是TTL邏輯器件進(jìn)行設(shè)計(jì)連線，由于實(shí)驗(yàn)條件受限，且隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)年限的增加，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的損壞、老化，需要定期的更新與維護(hù)，才能保證正常實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。而電子技術(shù)的發(fā)展和更新日新月異，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備需要緊跟時(shí)代的步伐進(jìn)行更新?lián)Q代，多數(shù)學(xué)校設(shè)備的更新都不能緊跟技術(shù)的發(fā)展，將直接影響到學(xué)生對最新知識的掌握，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足可由EDA仿真軟件彌補(bǔ)，只需在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室安裝EDA軟件即可。當(dāng)學(xué)生熟練的掌握了EDA技術(shù)之后，可縮短數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，對于所描述出的電路更容易進(jìn)行修改與調(diào)試，也能激發(fā)學(xué)生的興趣，這種將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來的方式對于理論知識的掌握有很大的幫助。由于EDA技術(shù)十分廣博，在課堂學(xué)習(xí)之外還留給學(xué)生更多的想象空間，學(xué)生可通過自主創(chuàng)新，提高對數(shù)字電路的創(chuàng)新能力。

下面以設(shè)計(jì)一個(gè)五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器為例來討論EDA在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用。在此設(shè)計(jì)一個(gè)帶有復(fù)位端的計(jì)數(shù)器，端口分別為：clk（時(shí)鐘，輸入端，位寬為1），res（復(fù)位，輸入端，位寬為1），cnt[2，0]（計(jì)數(shù)端，輸出端，位寬為3）。時(shí)鐘clk為上升沿觸發(fā)，復(fù)位res低有效，計(jì)數(shù)端cnt[2，0]有效數(shù)據(jù)范圍為3’b000～3’b100。程序流程圖如圖2所示。

圖2 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器流程圖

通過對五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的分析，用VerilogHDL描述出功能后，在Quartus II 11.0軟件上聯(lián)合Modelsim進(jìn)行仿真后，得到如圖3所示的仿真波形。

圖3 五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器仿真波形

通過波形圖我們可以看出，所設(shè)計(jì)的邏輯功能和設(shè)計(jì)要求完全一致，通過QuartusII11.0綜合后的電路圖如圖4所示，我們可以觀察出五進(jìn)制計(jì)數(shù)器有哪些基本的邏輯器件所組成，最后將設(shè)計(jì)的項(xiàng)目通過Quartus II 11.0軟件下載/配置到相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生可以很直觀的觀察到計(jì)數(shù)器的邏輯功能。

圖4 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器綜合電路圖

而對于傳統(tǒng)的教學(xué)我們必須熟悉各個(gè)邏輯器件以及要設(shè)計(jì)出的電路圖的具體的組成，才能構(gòu)造出總的電路圖，而對于EDA技術(shù)我們只要了解了它的功能，根據(jù)它的功能用硬件語言描述出來，通過軟件的綜合后就可以得到對應(yīng)的電路圖。尤其是對于一些復(fù)雜的電路，利用EDA技術(shù)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更簡單方便，更易掌握。

4 結(jié)束語

廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的EDA技術(shù)是電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。我們將EDA與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，有效的改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，同時(shí)提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新能力，緊跟時(shí)代步伐，讓學(xué)生掌握最新的電子技術(shù)知識，適應(yīng)社會的發(fā)展。