EDA技术在数字系统设计中的应用

姜丽飞

（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）

EDA技术在数字系统设计中的应用

姜丽飞

（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）

在分析传统数字系统设计特点的基础上，将 EDA技术引入数字电子系统的设计中。以基于可编程的FPGA、VHDL和MAX+PlusII软件平台的彩灯设计为例，讨论了EDA技术在数字系统设计中的应用，体现了EDA技术作为现代电子系统设计的主导技术，自动化程度高，开发周期短等突出优点。

EDA技术；数字系统设计；FPGA；MAX+pluaII；VHDL

1 引言

传统的数字系统设计中，一般先按电子系统的具体功能要求进行功能划分，然后对每个子模块列出真值表，进行化简之后写出布尔表达式，画出相应的逻辑线路图，再据此选择元器件，设计电路板，最后进行实测和调试[1]。其中，手工设计占了很大比例，这要求设计者要具备较高的设计经验，如果某一过程出现错误，查找和修改十分不便，对于集成电路设计而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，可移植性差，对于复杂电路的测试十分困难。而基于 EDA的现代数字系统的设计方法由传统的“自底向上”的设计方法转变为一种新的“自顶向下”的设计方法，使系统设计自动化，具有较好的可移植性，缩短开发周期，增强产品的竞争力[2]。

2 现代数字系统的设计方法

2.1 EDA技术简介[3]

EDA技术是以计算机为工作平台，以硬件描述语言（VHDL）为设计语言，以可编程器件（CPLD／FPGA）为实验载体，以ASIC/SOC芯片为目标器件，进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程。作为现代电子系统设计的主导技术，EDA具有以下特征：

（1）用软件设计的方法进行硬件设计：硬件系统的转换由相应的开发软件自动完成，设计输入可以是原理图或VHDL语言。设计的整个过程几乎不涉及任何硬件，可操作性、产品互换性强。

（2）基于芯片的设计方法：EDA设计方法又称为基于芯片的设计方法，集成化程度更高，可实现片上系统集成，进行更加复杂基于EDA技术的数字电路设计的电路芯片化设计和专用集成电路设计，使产品体积小、功耗低、可靠性高。

（3）自动化程度高：EDA技术根据设计输入文件，在计算机上自动完成电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到结果测试的全过程，自动生成目标系统。这使设计人员不必学习许多深入的专业知识，也可免除许多推导运算即可获得优化的设计成果，设计自动化程度高，减轻了设计人员的工作量，开发效率高。

（4）自动进行产品直面设计：EDA技术根据设计输入文件（HDL或电路原理图），自动地进行逻辑编译、化简、综合、仿真、优化、布局、布线、适配以及下载编程以生成目标系统，即计算机上自动处理完成电子产品从电路功能仿真、性能分析、优化设计到结果测试的全过程。

2.2 EDA 的设计流程

在设计方法上，EDA给电子电路设计领域带来了根本性的变革，将传统的“电路设计硬件-搭试-调试-焊接”模式转变为在计算机上自动完成，利用EDA工具，电子设计师从概念、算法和协议开始设计电子系统，从电路设计、性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载，这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法如图1所示。

图1 EDA设计流程

3 EDA技术在数字系统设计中的应用[4-5]

现以基于VHDL的十二路彩灯控制系统的设计为例，说明基于EDA的现代电子设计技术的特点。

3.1 系统功能描述

此十二路彩灯控制系统设定有四种花样变化，这四种花样可以进行自动切换，并且每种花样可以选择不同的频率，输入时钟频率为50MHZ，灯亮的时间在1—4秒之间，可以自由控制。电路中以“1”代表灯亮，以“0”代表灯灭。四种花样分别为：

（1）彩灯从右到左，然后从左到右逐次闪烁。

（2）彩灯从右到左点亮，然后从左到右逐次依次熄灭，全亮全灭。

（3）彩灯两边同时亮2个，逐次向中间移动再散开。

（4）彩灯两边同时亮4个，8亮4灭。

3.2 系统设计方案

以一个十二路彩灯花样控制器、一个四频率输出分频器，一个四选一控制器和一个时间选择器总共四部分来完成设计。四选一控制器从分频器选择不同频率的时钟信号输送到彩灯花样控制器，从而达到控制彩灯闪烁速度的快慢，时间选择器控制每种速度维持的时间长短。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

3.2.1 子模块功能及设计

硬件描述语言（HDL）是一种用于进行电子系统硬件设计的计算机高级语言，它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。VHDL语言是一种全方位硬件描述语言，包括系统行为级，寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次。基于 VHDL的十六路彩灯设计的单元电路如下：

（1）显示状态控制部分

显示状态由一个脉冲键控制。每接受到一个脉冲，则由当前状态跳转到下一状态，否则保持原来的状态不变。且四种状态循环变换。生成模块如图3所示。

图3 显示状态控制模块

（2）分频部分

该模块有两个输入：CP用来提供时钟脉冲；KEY1改变脉冲的按键，系统共设置了四个频率，每按一次该按键，频率就变化一次。一个输出：FRE用来给彩灯控制器提供四个合适的频率。生成的模块如图4所示。

图4 分频器模块

（3）彩灯控制器

彩灯控制电路是整个设计的核心，它负责整个设计的输出效果即各种彩灯图案的样式变化。该程序充分地说明了用VHDL设计电路的“弹”性，即可通过改变程序中输出变量Q的位数来改彩灯的数目，改变Q的组合即可变幻彩灯图案；改变输入变量INPUT的位数可改变彩灯状态数目。该模块有三个输入：CLK用来提供彩灯闪烁频率；INPUT用为彩灯控制器提供四种状态的选择条件。CLR是清零按键。输出Q[11..0]接12个彩灯。生成的模块如图5所示。

图5 彩灯控制器模块

3.2.2 彩灯控制器的模拟仿真及调试

MAX+PLUS2是一个完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，它可以在多种平台上运行，其图形界面丰富，加上完整的、可即时访问的在线文档，使设计人员可以轻松地掌握软件的使用。

当各个模块均完成上述操作之后，即可利用MAXPLUS2的原理图输入，调用各个元器件（底层文件），以原理图的形式形成最后的十二路彩灯显示系统（顶层文件），其方框图如图6所示，同时对主要功能模块（状态显示模块、分频器模块、彩灯控制器模块）进行仿真，仿真与调试波形分别如图7、图8、图9所示。

图6 系统软件框图

图7 状态显示模块波形仿真

图8 分频器波形仿真

图9 彩灯控制器波形仿真

3.3 彩灯控制器的硬件实现[6]

仿真正确后，采用浙江天煌科技实业有限公司研制的KHF-5型CPLD/FPGA实验开发系统，采EP1K100QC208-3芯片，根据本设计实现的功能，管脚分配如下：CLK-183（50MHZ电源）；PINLV-103；CLR-104；ZHUANGTAI-111；Q[0-11]接D4-D16发光二极管。管脚分配结束后，再次进行编译，之后用专用下载电缆将程序代码下载到器件中，打开实验电源，十二路彩灯即可运行正常。

4 结论

随着CPLD、FPGA等现场可编程逻辑器件的逐渐兴起，VHDL、Verilog等通用性好、移植性强的硬件描述语言的普及，A-SIC技术的不断完善，使EDA技术在现代数字系统和微电子技术应用中起着越来越重要的作用。通过EDA工具自动完成系统设计，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错机会。贯彻整个系统设计的自动化，使设计者从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而提高设计效率，缩短产品的研制周期。

[1] 阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[2] 邱红.在数字电路实验与设计中引入EDA的必要性[J].实验室科学,2006,2(1):73-74.

[3] 潘松,黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京:清华大学出版社,2007.

[4] 雷雪松.VHDL设计实例与仿真[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5] 张俊红.利用EDA技术改进数字电路的实践环节[J].实验室研究与探索,2005(24):167-169.

[6] 杨真理.基于 FPGA的数字系统设计[J].中国科技信息, 2009,(17).

（责任编辑、校对：田敬军）

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

姜丽飞（1977-），女，河北唐山人，硕士，唐山师范学院物理系讲师，研究方向为测量与控制学。