EDA技術在現代電子設計中的應用研究

孫海林

（泰州機電高等職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

EDA技術在現代電子設計中的應用研究

孫海林

（泰州機電高等職業技術學院，江蘇 泰州 225300）

本文從電子設計技術概況入手，分別介紹了FPGA/CPLD的結構和工作原理、開發流程和優點，常用EDA開發工具，Verilog HDL語言的開發步驟，EDA技術在電子設計過程中的注意事項等內容。然后以交通燈控制器、機械手控制系統為例分析了FPGA在簡單邏輯、控制和數字信號處理上的應用。

EDA；電子設計；FPGA

EDA技術發源于20世紀90年代末期，時至今日，已然成為現代電子設計發展潮流所在。可編程邏輯器件可以輕松地通過軟件編程實現對硬件結構的重構，對工作方式的優化，使硬件系統的設計變得更為簡捷。同時也使傳統數字系統的設計方法、過程、觀念都得到了更新。隨著可編程邏輯器件集成規模的增大，EDA技術應運而生。

1EDA概況

EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automa?tion）的英文縮寫，由CAD、CAM、CAT和CAE的概念綜合演化而來，即以計算機工具為硬件，以EDA軟件為開發環境，以描述語言HDL為開發語言，以FPGA/CPLD為開發載體，自動實現包括邏輯編譯、分割、綜合、優化、布局、仿真等功能在內的電子設計全過程。從發展歷程來看，EDA技術大致經歷了四個階段：計算機輔助設計階段，該時期EDA技術主要體現在通過計算機輔助實施IC版圖編輯、印刷線路板布局和布線等工作；計算機輔助工程階段，在該階段，EDA技術新增了部分新型應用功能，在圖形繪制、電路功能設計、電路結構設計、原理圖輸入、邏輯仿真、自動布局布線等方面有了長足的進步；電子系統設計自動化階段，在該時期，電子設計實現了自動化，高級描述語言進入電子設計，系統識別仿真和電子設計結合更為精密；第四階段是進入本世紀以來，現代EAD技術愈發成熟，計算機和EDA軟件平臺功能越發強大，使得用軟件方式描述的電子系統，以及實現硬件系統的邏輯仿真、布局布線等功能成為現實。

可編程ASIC作為ASIC的一種，是由復雜可編程邏輯器件和現場可編程門陣列組成的。分別被稱之為CPLD和FPGA。從內部結構上，CPLD主要包括輸出邏輯宏單元、可編程的與或陣列、可編程互連矩陣單元及輸入輸出單元。FPGA則包含可編程的邏輯功能塊、輸入輸出模塊和互連網絡［1］。與CPLD相比，FPGA布線更為靈活，可用邏輯門數量也較多。本文主要以Altera公司的MAX7000系列和Flex10K系列為例進行簡要說明。從如圖1所示的Flex10K器件結構不難看出，其主要結構由LE（邏輯單元）、LAB（邏輯陣列）、FastTrack（快速通道）、I/O（輸入輸出）單元、EAB（嵌入式陣列塊）組成，而每個LAB則包含有8個LE［2］。

常見的EDA軟件都是由IC公司提供的，其中Altera公司的MAX+plusⅡ和Quartus最為成熟。MAX+plusⅡ功能全面，使用方便，大眾化程度高，非常適合在科研和教學場合使用，良好的人機交互界面，集成化的功能，模塊化的組合工具，支持Verilog HDL、AHDL等多種語言格式，良好的開放性和數據交換性是其最為主要的優點。目前，在硬件描述語言中，Verilog HDL是硬件描述語言中使用最為廣泛的一種，Verilog HDL可以提供條件循環程序結構，能用延遲表達式確切地控制過程的啟動時間，也能描述順序執行或并行執行的程序結構。此外，由于Verilog HDL語言類似于C語言的風格，有C語言編程基礎的人可以輕松上手。

圖1 Flex10K器件結構圖

2 EDA技術在電子設計中應用的注意事項

2.1 注意事項

將EDA技術應用于電子設計需要特別注意以下幾點。①要考慮電子電路延時的時長有著不確定性。自動編譯電路中部分環節有一定的可能性成為贅余，故而反相器的數量和連接方式上不適合采用偶數個并聯連接。②為保證引腳有良好的接地，也為了保證有源信號驅動，輸入引腳不可處于懸空狀態。③各組成器件電源始終有良好的接地，必要時，各器件間要進行濾波及去耦處理。④為方便拓展和修改需要，邏輯單元和引腳要留有余量備用。⑤要有適當的冷卻處理防止器件過熱［3］。

2.2 EDA技術應用舉例

時至今日，EDA應用已經十分廣泛，在交通、儀器儀表和工業自動化領域都有起著重要作用。在簡單邏輯應用上，交通燈控制器是最為常見的應用。如設計如圖2所示的十字路口交通燈控制器，已知X方向為主干道，此方向設置通行時間長于Y方向。兩方向均設置有紅、黃、綠和左拐等一個，分別用字母R、Y、G和L表示（R、Y、G、L分別為英文單詞red、yellow、green和left首字母大寫），在狀態轉換上數字1表示燈亮，數字0表示燈滅。為保證兩個方向在同行問題上不互相干擾，每個方向四種燈應按照規定次序依次亮起，且不斷循環往復。該順序為：綠-黃燈-左拐-黃燈-紅燈，且任一方向紅燈亮的時長應與另一方向其余綠、黃、左拐、黃的時間等長。其硬件設計結構如圖3所示。在具體功能上，本設計采用兩個并行執行的模塊對兩向四盞燈進行控制，且共用一個時鐘信號。亮燈時間采用可同步預置的減法計數器實現計數。在信號定義上，程序設置了同步時鐘信號、使能信號，同時還為X向和Y向的左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈信號亮滅設置了4組控制信號，此外還有用以時間顯示的信號。根據設計要求，分別在X方向和Y方向左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈設置了具體的亮燈長度時間，如X向紅燈時間45s，綠燈時間40s，Y向紅燈時間55s，綠燈時間30s。其余黃燈和左拐燈亮燈時間，X向和Y向相同，分為3s和20s。在引腳的鎖定上，時鐘信號CLK占用IN1引腳，使能信號占用I/O0引腳，其余雙向控制燈亮信號和計時信號分別使用8個和16個引腳，其具體I/O端口名稱此處不再詳述。在使用MAX+plusⅡ軟件編譯交通燈控制器后，進行時序仿真，仿真無誤，將其下載到實驗板中進行驗證。

圖2 十字路口交通燈示意圖

圖3 硬件結構簡圖

3 結語

從上文不難看出，EDA技術在當代牢牢占據著核心地位，隨著EDA技術的不斷成熟，其必將在電子產業及電子設計領域中發揮更大的作用。

［1］徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA的開發與應用［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［2］戴立江.基于EDA技術的FPGA應用研究［D］天津：天津工業大學，2004.

［3］紀永成.FPGA開發板設計與研究［D］.長春：吉林大學，2011.

Research on the Application of EDA Technology in Modern Electronic Design

Sun Hailin
（Taizhou Advanced Electromechanical Occupation Technical School，Taizhou Jiangsu 225300）

From the survey of electronic design technology,introduced the structure and working principle of FPGA/CPLD,the development process and the advantages of common EDA development tools,the devel?opment process of Verilog HDL language,EDA technology in the electronic design process of the matters needing attention.Then,taking the traffic light controller and manipulator control system as an example,the application of FPGA in simple logic,control and digital signal processing was analyzed.

EDA；electronic design；FPGA

TN702

A

1003-5168（2017）12-0046-02

2017-11-01

孫海林（1978-），女，本科，教師，研究方向：應用電子技術。