探究數字電子技術實驗中的EDA技術

張霽晨

（武漢輕工大學，湖北武漢，430023）

0 引言

現如今集成電路和計算機技術快速發展，使得EDA技術也獲得了很大的進步，EDA軟件是一項快速有效的電子設計自動化技術。它的出現猛烈的沖擊了傳統的數字電子技術實驗的教學方法，極大的改變了原有的教學模式，為同學們的學習提供了便利的條件，研究EDA的設計流程，研究重要類型軟件的特點，以及如何在實驗中使用EDA技術，這些對提高學習的效率有十分重要的意義。

1 數字電子技術實驗中應用EDA技術的優勢

現如今EDA技術已經逐漸在數字電子技術實驗中使用。科學技術在不斷的發展，更新了數字邏輯電路的實驗手段。比如使用常規的TTL邏輯器做實驗，使用PLD計算機輔助軟件做電子系統的設計，做模擬調試。使用硬件進行設計，降低了設計的難度，降低了修改設計的難度，而且設計的方案也比較容易實現。使用EDA技術保障了學生的安全，保障了設備的安全。這樣我們就能大膽的進行實驗，發揮我們的創造力，進行更多的嘗試。另外可以多次對電路進行修改，提高實驗的效率。增加實驗的次數，增加電路的研發量，讓我們設計現代數字電子系統的能力得到提高。在國內應用最多的 EDA軟件有 Protel、EWB、Max-Plus、Quartus、Multisim，這些軟件的實際應用有諸多的共同點，但也存在一定的差異。以Quartus為例，它更擅長數據系統的研發，能夠更快更好的完成。再比如Multisim，這一軟件更加適合組合邏輯電路的設計，所以在實際的設計研發過程中，我們應該選擇合適的軟件進行操作。

2 在數字電子技術實驗中EDA技術的應用

■2.1 使用EDA技術構建實驗模塊

電子自動化設計技術就是EDA技術，它是電子行業中新興起的一種技術，涉及的范圍十分廣闊，包含了較為豐富的內容。EDA技術運行的基礎設備是可編程控制器，另外還要用到計算機和編程軟件，能夠實現的是電子硬件系統和軟件系統的研發設計。EDA技術還具有仿真分析的功能，能夠實現系統的優化設計，還能滿足布線規劃的需求[1]。在設計較為復雜的電路時，EDA技術表現出了不同于其他技術的優勢，能夠給出更為簡潔明了的設計方案。使用EDA技術構建實驗模塊，能夠讓模塊更加的完整，讓模塊的各個部分有著更為緊密的聯系。基于原有的模擬系統，對模塊加以完整的仿真分析，進而獲得較為完整全面的數字資料。接著會使用虛擬平臺對獲得的數字資料進行評估，將有效的數據提取出來。這一過程較大程度的利用了EDA技術的仿真分析作用。在構建虛擬的實驗模塊時，EDA技術能夠將收集到的數字資料存儲起來，形成內容完整的數據庫，這有著十分重要的意義。

■2.2 EDA技術設計思路的輸入、綜合、適配

EDA技術的設計思路讓數字電子設計技術向前邁進了一大步，徹底改變了傳統的電路設計理念。傳統的設計思路是先規劃好硬件，然后進行搭試，再進行調試，最終進入到焊接的環節。而EDA技術的設計理念是先進行輸入的操作。在設計每一個項目時都要依靠一個或者是多個源文件，源文件包括的內容是原理圖和VHDL文本，另外也有混合輸入文件的源文件形式。EDA設計思路的第二個步驟是綜合，在這一過程中發揮主要作用的是系統的軟件綜合器，用以實現VHDL軟件和硬件之間的連接，這一步驟能夠實現軟件轉化為硬件電路的重要操作，同時在綜合的過程中，還要將其中的源文件綜合起來。綜合的過程能夠將設計人員設計的邏輯級電路圖轉換為門級電路。EDA設計思路的第三個內容是布線布局，這一步驟也可以稱作適配。使用適配器完成邏輯映射，此操作主要是針對于某一具體的目標器件，該操作作用的對象是綜合后的網表文件。具體的操作有分割、優化，完成布局，在這一步驟中會產生的文件有網表文件和下載文件，主要用于時序仿真。

■2.3 EDA技術設計思路的仿真和編程下載

EDA設計思路的第三個步驟是仿真，使用EDA工具測試適配生成的結果，這一模擬過程就是仿真的過程，仿真是EDA設計中的重要環節，包括時序和功能門級的仿真，可以實現該仿真過程的工具是PLD公司研發的EDA。這一技術能夠實現兩種級別仿真測試，其中之一是功能仿真，測試的是邏輯功能，這一仿真過程能夠讓人們看到系統所能實現的最終功能，便于人們檢驗系統最終的功能是否和當初的設計目的一致。功能仿真存在一定的缺陷，就是沒有將具體器件的硬件性能考慮其中。第二級別仿真是時序仿真，時序仿真的模擬對象是網表文件，能夠較大程度的還原真實器件的運行特性，也就是說時序仿真能夠更好的反映器件的硬件特性，因此有著更高級別的仿真精度。EDA設計思路的第四個步驟是編程下載，編程下載的過程要用到Byteblaster下載電纜線，下載的對象是適配之后的配置文件和設計的項目，下載的方式是JTAG，保存的位置是CPLD器件，保存的目的是便于驗證和調試硬件的功能。綜合歸納，EDA設計思路流程圖如圖1所示。

圖1 EDA設計思路流程圖

3 數字電子技術中EDA技術應用的實例

■3.1 數字電子技術實驗平臺的構建

如今在我國已經擁有了較為完整的數字電子技術實驗平臺，并且也擁有了虛擬的實驗平臺，平臺的建立能夠大量的進行虛擬實驗，當實驗項目不具備實際操作的條件時，就可以進行虛擬實驗，在模擬仿真的過程中實現一定的目的。構建虛擬數字電子技術的實驗框架要完成兩個部分，一是用來學習EDA技術的知識平臺，二是虛擬的實驗平臺。建立學習平臺的關鍵之處是要實現仿真的功能。建立虛擬實驗平臺要有對實驗的管理功能，要有對實驗的評估功能，還要能夠管理實驗平臺的信息，兩個部分的之間的信息交互功能必不可少，總之要保證平臺具有完善的功能。仿真功能有四個模塊，分別是基礎學習模塊、項目信息模塊、虛擬實驗模塊、結果分析模塊[2]。各個模塊之下還要細分，以基礎學習模塊為例，有EDA工具學習、編程語言學習、實驗原理知識、實驗器材知識。

■3.2 第二代Quartus的顯著特點

在第二代Quartus中存在一個元器件庫，內部含有豐富的電子元器件，多達數千種。比如基本元件庫、工作庫，還有宏工能元件庫，以及參數可設置兆功能庫。這些豐富的原器件，讓我們能夠更加全面的學習各種類型的數字電路元器件，了解它們的參數以及能夠實現的功能。第二代Quartus軟件具有仿真電路的功能，還能實現模擬測試，可以分析時序，這一軟件展現的仿真分析條例清晰，結果準確。第二代Quartus可以設計電路，測試電路的功能，準確的演示時序，分析邏輯電路實現的可能性。另外該軟件還有具有設置故障的功能，使用這一功能，我們在練習時可以模擬多種故障，鍛煉自己排除故障的能力，同時也鍛煉了我們分析電路的能力。與傳統的教學器件TTL邏輯相比，有著較為明顯的優勢，TTL邏輯軟件使用的是中小規模的集成電路，會用到面包板和導向，在實驗時直接使用實驗箱，如果電接觸發生不穩定的情況，那么意味著電能損耗大，效率低。而且該邏輯軟件功能單一。

■3.3 EDA技術應用的實例

以設計一個加法計數器為例，該計數器采取4位二進制的形式，使用的實驗板是EP1C6Q240C8,使用的EDA開發軟件是第二代Quartus6.1版本，使用VHDI完成代碼描述。通過第二代Quartus6.1版本完成編輯、輸入、綜合、適配、仿真的操作，之后會得到一個仿真波形，如圖2所示的4位二進制加法計數器的仿真波形圖，從波形圖來看，可以知道實現的邏輯功能和設計的目的基本一致。之后可以將已經設計好的項目下載到器件中。然后使用硬件設備實際的驗證實現的功能是否符合要求。此時我們可以較為直觀的了解到計數器能夠實現的功能，會讓我們真正的掌握其中的原理。使用第二代Quartus6.1可以讓我們觀察到加法計數器的RTL電路圖。逐層點擊相應的模塊，我們就可能直觀的看到電路結構，可以觀察到該電路的主要部分有兩項，一是組合電路加1器，二是4位鎖存器[3]。

圖2 4位二進制加法計數器的仿真波形圖

4 總結

綜上所述，在數字電子技術實驗中使用EDA技術，就是利用EDA技術模擬實驗的過程，經過仿真驗證之后，我們再進行實際的實驗操作。在此過程中，能夠較為直觀的準確的掌握電路的工作原理和工作的具體流程。此時我們不會再對電路有抽象難以理解的感覺，并且在頭腦中也更加容易理解理論的含義，使同學們的思維空間得到擴展。