EDA技術在數字系統設計中的應用

姜麗飛

（唐山師范學院 物理系，河北 唐山 063000）

EDA技術在數字系統設計中的應用

姜麗飛

（唐山師范學院 物理系，河北 唐山 063000）

在分析傳統數字系統設計特點的基礎上，將 EDA技術引入數字電子系統的設計中。以基于可編程的FPGA、VHDL和MAX+PlusII軟件平臺的彩燈設計為例，討論了EDA技術在數字系統設計中的應用，體現了EDA技術作為現代電子系統設計的主導技術，自動化程度高，開發周期短等突出優點。

EDA技術；數字系統設計；FPGA；MAX+pluaII；VHDL

1 引言

傳統的數字系統設計中，一般先按電子系統的具體功能要求進行功能劃分，然后對每個子模塊列出真值表，進行化簡之后寫出布爾表達式，畫出相應的邏輯線路圖，再據此選擇元器件，設計電路板，最后進行實測和調試[1]。其中，手工設計占了很大比例，這要求設計者要具備較高的設計經驗，如果某一過程出現錯誤，查找和修改十分不便，對于集成電路設計而言，設計實現過程與具體生產工藝直接相關，可移植性差，對于復雜電路的測試十分困難。而基于 EDA的現代數字系統的設計方法由傳統的“自底向上”的設計方法轉變為一種新的“自頂向下”的設計方法，使系統設計自動化，具有較好的可移植性，縮短開發周期，增強產品的競爭力[2]。

2 現代數字系統的設計方法

2.1 EDA技術簡介[3]

EDA技術是以計算機為工作平臺，以硬件描述語言（VHDL）為設計語言，以可編程器件（CPLD／FPGA）為實驗載體，以ASIC/SOC芯片為目標器件，進行必要的元件建模和系統仿真的電子產品自動化設計過程。作為現代電子系統設計的主導技術，EDA具有以下特征：

（1）用軟件設計的方法進行硬件設計：硬件系統的轉換由相應的開發軟件自動完成，設計輸入可以是原理圖或VHDL語言。設計的整個過程幾乎不涉及任何硬件，可操作性、產品互換性強。

（2）基于芯片的設計方法：EDA設計方法又稱為基于芯片的設計方法，集成化程度更高，可實現片上系統集成，進行更加復雜基于EDA技術的數字電路設計的電路芯片化設計和專用集成電路設計，使產品體積小、功耗低、可靠性高。

（3）自動化程度高：EDA技術根據設計輸入文件，在計算機上自動完成電子產品從電路功能仿真、性能分析、優化設計到結果測試的全過程，自動生成目標系統。這使設計人員不必學習許多深入的專業知識，也可免除許多推導運算即可獲得優化的設計成果，設計自動化程度高，減輕了設計人員的工作量，開發效率高。

（4）自動進行產品直面設計：EDA技術根據設計輸入文件（HDL或電路原理圖），自動地進行邏輯編譯、化簡、綜合、仿真、優化、布局、布線、適配以及下載編程以生成目標系統，即計算機上自動處理完成電子產品從電路功能仿真、性能分析、優化設計到結果測試的全過程。

2.2 EDA 的設計流程

在設計方法上，EDA給電子電路設計領域帶來了根本性的變革，將傳統的“電路設計硬件-搭試-調試-焊接”模式轉變為在計算機上自動完成，利用EDA工具，電子設計師從概念、算法和協議開始設計電子系統，從電路設計、性能分析直到IC版圖或PCB版圖生成的全過程均可在計算機上自動完成。EDA技術代表了當今電子設計技術的最新發展方向，其基本特征是設計人員以計算機為工具，按照自頂向下的設計方法，對整個系統進行方案設計和功能劃分，由硬件描述語言完成系統行為級設計，利用先進的開發工具自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局布線、仿真及特定目標芯片的適配編譯和編程下載，這被稱為數字邏輯電路的高層次設計方法如圖1所示。

圖1 EDA設計流程

3 EDA技術在數字系統設計中的應用[4-5]

現以基于VHDL的十二路彩燈控制系統的設計為例，說明基于EDA的現代電子設計技術的特點。

3.1 系統功能描述

此十二路彩燈控制系統設定有四種花樣變化，這四種花樣可以進行自動切換，并且每種花樣可以選擇不同的頻率，輸入時鐘頻率為50MHZ，燈亮的時間在1—4秒之間，可以自由控制。電路中以“1”代表燈亮，以“0”代表燈滅。四種花樣分別為：

（1）彩燈從右到左，然后從左到右逐次閃爍。

（2）彩燈從右到左點亮，然后從左到右逐次依次熄滅，全亮全滅。

（3）彩燈兩邊同時亮2個，逐次向中間移動再散開。

（4）彩燈兩邊同時亮4個，8亮4滅。

3.2 系統設計方案

以一個十二路彩燈花樣控制器、一個四頻率輸出分頻器，一個四選一控制器和一個時間選擇器總共四部分來完成設計。四選一控制器從分頻器選擇不同頻率的時鐘信號輸送到彩燈花樣控制器，從而達到控制彩燈閃爍速度的快慢，時間選擇器控制每種速度維持的時間長短。系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

3.2.1 子模塊功能及設計

硬件描述語言（HDL）是一種用于進行電子系統硬件設計的計算機高級語言，它采用軟件的設計方法來描述電子系統的邏輯功能、電路結構和連接形式。VHDL語言是一種全方位硬件描述語言，包括系統行為級，寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次。基于 VHDL的十六路彩燈設計的單元電路如下：

（1）顯示狀態控制部分

顯示狀態由一個脈沖鍵控制。每接受到一個脈沖，則由當前狀態跳轉到下一狀態，否則保持原來的狀態不變。且四種狀態循環變換。生成模塊如圖3所示。

圖3 顯示狀態控制模塊

（2）分頻部分

該模塊有兩個輸入：CP用來提供時鐘脈沖；KEY1改變脈沖的按鍵，系統共設置了四個頻率，每按一次該按鍵，頻率就變化一次。一個輸出：FRE用來給彩燈控制器提供四個合適的頻率。生成的模塊如圖4所示。

圖4 分頻器模塊

（3）彩燈控制器

彩燈控制電路是整個設計的核心，它負責整個設計的輸出效果即各種彩燈圖案的樣式變化。該程序充分地說明了用VHDL設計電路的“彈”性，即可通過改變程序中輸出變量Q的位數來改彩燈的數目，改變Q的組合即可變幻彩燈圖案；改變輸入變量INPUT的位數可改變彩燈狀態數目。該模塊有三個輸入：CLK用來提供彩燈閃爍頻率；INPUT用為彩燈控制器提供四種狀態的選擇條件。CLR是清零按鍵。輸出Q[11..0]接12個彩燈。生成的模塊如圖5所示。

圖5 彩燈控制器模塊

3.2.2 彩燈控制器的模擬仿真及調試

MAX+PLUS2是一個完全集成化、易學易用的可編程邏輯設計環境，它可以在多種平臺上運行，其圖形界面豐富，加上完整的、可即時訪問的在線文檔，使設計人員可以輕松地掌握軟件的使用。

當各個模塊均完成上述操作之后，即可利用MAXPLUS2的原理圖輸入，調用各個元器件（底層文件），以原理圖的形式形成最后的十二路彩燈顯示系統（頂層文件），其方框圖如圖6所示，同時對主要功能模塊（狀態顯示模塊、分頻器模塊、彩燈控制器模塊）進行仿真，仿真與調試波形分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖6 系統軟件框圖

圖7 狀態顯示模塊波形仿真

圖8 分頻器波形仿真

圖9 彩燈控制器波形仿真

3.3 彩燈控制器的硬件實現[6]

仿真正確后，采用浙江天煌科技實業有限公司研制的KHF-5型CPLD/FPGA實驗開發系統，采EP1K100QC208-3芯片，根據本設計實現的功能，管腳分配如下：CLK-183（50MHZ電源）；PINLV-103；CLR-104；ZHUANGTAI-111；Q[0-11]接D4-D16發光二極管。管腳分配結束后，再次進行編譯，之后用專用下載電纜將程序代碼下載到器件中，打開實驗電源，十二路彩燈即可運行正常。

4 結論

隨著CPLD、FPGA等現場可編程邏輯器件的逐漸興起，VHDL、Verilog等通用性好、移植性強的硬件描述語言的普及，A-SIC技術的不斷完善，使EDA技術在現代數字系統和微電子技術應用中起著越來越重要的作用。通過EDA工具自動完成系統設計，大大減輕了設計人員的工作強度，提高了設計質量，減少了出錯機會。貫徹整個系統設計的自動化，使設計者從繁重的設計工作中徹底解脫出來，把精力集中在創造性的方案與概念構思上，從而提高設計效率，縮短產品的研制周期。

[1] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[2] 邱紅.在數字電路實驗與設計中引入EDA的必要性[J].實驗室科學,2006,2(1):73-74.

[3] 潘松,黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京:清華大學出版社,2007.

[4] 雷雪松.VHDL設計實例與仿真[M].北京:機械工業出版社,2007.

[5] 張俊紅.利用EDA技術改進數字電路的實踐環節[J].實驗室研究與探索,2005(24):167-169.

[6] 楊真理.基于 FPGA的數字系統設計[J].中國科技信息, 2009,(17).

（責任編輯、校對：田敬軍）

EDA Technology in Digital System Design

JIANG Li-fei

(Department of Physics, Tangshan Teachers College, Tangshan 063000, China)

Basing on the analysis of the characteristics of the traditional digital system design, the EDA technology is applied to the digital system design. As an example of the lantern design using the programmable FPGA, VHDL and MAX+PlusII software platform, this paper introduces the application of the EDA technique in the digital system design, and embodies the EDA technology as a leading technology in the modern electronic system design which has the the outstanding advantages of the high degree of automation and the shorter development cycles.

EDA technology; digital system design; FPGA; MAX+pluaII; VHDL

TP302.1

A

1009-9115(2010)05-0075-03

2010-6-24

姜麗飛（1977-），女，河北唐山人，碩士，唐山師范學院物理系講師，研究方向為測量與控制學。