基于FPGA的EDA技术课程设计研究

杨祖芳 汪淳

摘 要 EDA技术课程设计是EDA技术学习的一个重要环节，为培养学生的实际动手能力及设计创新能力，从教学改革的实践出发，文章详细介绍了课程设计的教学安排，给出了课程设计的具体方法。

关键词 EDA技术 课程设计 实践教学

中图分类号：G424 文献标识码：A

0 引言

随着微电子技术的不断发展和制造工艺水平的提高，现代电子产品正在以前所未有的革新速度，朝着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展。EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术正是为了适应这种现状，以缩短电子产品的开发周期，降低开发成本，提高产品竞争力为目的，吸收多学科最新成果而形成的一门新技术。日趋完善的EDA技术正在逐步取代传统的电子设计方法，广泛应用于工业生产、消费电子、医药卫生、汽车电子、无线通信、仪器仪表等领域。

1 EDA技术课程概述

EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，由计算机自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、布局布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。①

EDA技术是一门应用性和实践性很强的课程。需要掌握四个方面：大规模可编程逻辑器件，硬件描述语言，软件开发工具，实验开发系统。大规模可编程逻辑器件主要是了解主流的FPGA/CPLD厂商及其主要器件，对器件的内部结构可以少讲，不作深入的剖析。常用的硬件描述语言包括VHDL和Verilog HDL两种，在教学中应让学生至少掌握一种。选用不同厂家的可编程逻辑器件需要使用不同的EDA软件开发工具。目前比较流行的、主流厂家的EDA 软件工具有Altera公司的QuartusⅡ，Xilinx的ISE/ISE-WebPACK Series 和Lattice公司的ispLEVER。实验开发系统是硬件验证工具。②

EDA技术课程设计作为EDA技术理论课程的后续实践教学环节，主要教学目的是提高学生的实践动手能力，注重学生的自主设计能力和创新能力的培养，比较全面的掌握EDA技术的设计方法和工程开发流程，为毕业后能适应工作岗位打下基础。

2 EDA课程设计教学实践

2.1 教学安排

我校学生在上EDA课程设计之前已经学习了EDA技术理论课，并进行了18学时的EDA技术实验，已经具备一定的理论基础，掌握QuartusⅡ软件的使用，能够进行一些基本的组合逻辑电路及时序逻辑电路的设计，并下载到实验箱上面观察硬件现象。课程设计的教学安排主要包括下面几个阶段。

图1 系统组成框图

选题：学生3人一组，根据分发的题目，通过查找资料，选择自己感兴趣的课题或者自由定题，如果是自由定题需经过指导教师批准后方可进行后续设计。

具体设计：主要包括设计方案的确定，各模块程序设计，仿真，硬件测试。学生在完成设计之后，需在实验箱上演示硬件现象并进行讲解，提交项目文件。指导教师根据学生的设计成果进行验收。主要考察学生设计中所用的基础理论、基本知识、基本技能的掌握程度，以及学生在实验箱实验过程中遇到的问题和解决方案。

课程设计报告撰写：对设计过程进行归纳总结，按照规定的格式要求完成设计报告的撰写，每人一份，不得抄袭。主要是培养学生的论文写作能力。

答辩：学生对其设计内容进行讲解并回答指导教师的提问。

2.2 电路系统的设计方法

EDA技术课程设计的题目一般比较复杂，需要综合运用所学的知识。采用自上而下的设计方法进行设计，主要包括下面几个步骤：（1）分析课程设计任务书的题目及要求；（2）通过查找资料，确定系统方案，将整个系统进行模块划分；（3）利用Altera公司的QuartusⅡ软件，采用VHDL语言或原理图的输入方式进行具体模块设计；（4）功能仿真、时序仿真，功能仿真是为了验证系统是否能够完成要求的逻辑功能，时序仿真是考虑了器件延时特性之后的仿真。（5）硬件测试。下面以汽车尾灯控制器的设计为例介绍数字电路系统的设计方法。

设计任务：设计一个汽车尾灯控制器，假设汽车尾部左右两侧各有3盏指示灯，其控制功能应包括：（1）汽车正常行驶时指示灯都不亮；（2）汽车右转弯时，右侧的一盏指示灯亮且闪烁；（3）汽车左转弯时，左侧的一盏指示灯亮且闪烁；（4）汽车刹车时，左右两侧的一盏指示灯同时亮；（5）汽车在夜间行驶，左右两侧的一盏指示灯同时一直亮，供照明使用。

按照设计要求，采用自顶向下的设计方式，将整个系统分为时钟分频模块、主控模块、汽车左灯控制模块及汽车右灯控制模块等四个模块。其系统组成框图如图1所示。系统的输入信号包括系统时钟信号CLK、刹车信号BRAKE、夜间行驶信号NIGHT、汽车左转弯控制信号LEFT及汽车右转弯控制信号RIGHT，系统的输出信号包括左侧3盏指示灯LD1（左转弯信号灯）、LD2（左刹车灯）、LD3（左夜灯）及RD1（右转弯信号灯）、RD2（右刹车灯）、RD3（右夜灯）。

分频模块：输入系统时钟信号CLK（16Hz）进行16分频得到1Hz的时钟信号CP，CP的电平信号分别和LEDL、LEDR电平相与，用于控制左转弯信号灯LD1及右转弯信号灯RD1的闪烁。

主控模块：此模块用于整体控制，当输入左转弯信号LEFT时，输出左灯控制信号LP，当输入右转弯信号RIGHT时，输出右灯控制信号RP，当输入刹车信号BRAKE时，输出刹车灯控制信号BRAKE_LED，当输入夜间行驶信号NIGHT时，输出夜灯控制信号NIGHT_LED，其它情况输出错误控制信号LR。主控模块的VHDL源程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY CTRL IS

PORT（LEFT，RIGHT，BRAKE，NIGHT： IN STD_LOGIC；

LP，RP，LR，BRAKE_LED，NIGHT_LED： OUT STD_LOGIC）；

END ENTITY CTRL；

ARCHITECTURE ART OF CTRL IS

BEGIN

NIGHT_LED<=NIGHT；

BRAKE_LED<=BRAKE；

PROCESS（LEFT，RIGHT）

VARIABLE TEMP：STD_LOGIC_VECTOR（1 DOWNTO 0）；

BEGIN

TEMP：=LEFT&RIGHT；

CASE TEMP IS

WHEN "00"=>LP<='0'；RP<='0'；LR<='0'；

WHEN "01"=>LP<='0'；RP<='1'；LR<='0'；

WHEN "10"=>LP<='1'；RP<='0'；LR<='0'；

WHEN OTHERS=>LP<='0'；RP<='0'；LR<='1'；

END CASE；

END PROCESS；

END ARCHITECTURE ART；

汽车左灯控制模块：用于控制左侧尾灯的亮、灭和闪烁情况。在时钟信号上升沿的控制下，左灯控制信号LP有效时，左灯LEDL输出有效电平，输出的LEDL信号与CP信号相与，使得左转弯信号灯LD1闪烁。刹车控制信号有效时，LEDB输出高电平，使得左边刹车灯LD2点亮；夜间行驶信号有效时，LEDN输出高电平，使得左边夜灯LD3点亮。当错误控制信号出现时，左侧三盏灯都不亮。源程序如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY LC IS

PORT（CLK，LP，LR，BRAKE，NIGHT： IN STD_LOGIC；

LEDL，LEDB，LEDN： OUT STD_LOGIC）；

END ENTITY LC；

ARCHITECTURE ART OF LC IS

BEGIN

LEDB<=BRAKE；

LEDN<=NIGHT；

PROCESS（CLK，LP，LR）

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN

IF（LR='0'） THEN

IF（LP='0'）THEN

LEDL<='0'；

ELSE

LEDL<='1'；

END IF；

ELSE

LEDL<='0'；

END IF；

END IF；

END PROCESS；

END ARCHITECTURE ART；

汽车右灯控制模块：此模块与左灯控制模块类似，在这里不作详细介绍。

顶层电路：各模块设计仿真实现后，可以分别创建各个模块的元件符号，然后将各子模块采用原理图的输入方式连接起来建立顶层文件，或者用VHDL语言编写顶层文件实现系统电路。图2是顶层VHDL文件编译后生成的RTL电路图。

系统设计完成后，对整个系统进行功能仿真，根据设计要求添加测试输入条件，观察仿真后的输出结果是否与理论结果相符，如果不符，则必须修改源程序，直到相符为止。图3为系统仿真图，由仿真现象可知，当刹车信号Brake为高电平时，不管时钟信号如何，左右两盏灯ld2及rd2同时点亮。当夜灯Night为高电平时，不管时钟信号如何，左右两盏灯ld3及rd3同时点亮。当左转信号Left及右转信号Right同时有效时，这是一种错误输入，左右三盏灯均不亮，而当左转信号Left单独有效时，在时钟CLK的上升沿到来后，相应尾灯Ld1开始闪烁。仿真结果与预期结果相符，验证了设计的正确性。

电路仿真正确后，进行硬件验证。根据实验室的实验箱，选择Altera公司的EP1K30TC144-3芯片，正确分配好引脚，进行全编译，生成编程文件，连接好实验箱，将编程文件通过编程器下载到实验箱上面，然后拨动开关，观察实验现象是否符合设计要求。

3 结束语

通过课程设计，同学们对EDA技术表现出浓厚的学习兴趣，逐渐从被动学习转变成了主动学习。同学们掌握了如何基于FPGA器件进行系统电路设计，学会了应用编程技术设计专用集成电路芯片的方法，实践动手能力、综合设计能力得到很大的提高，为将来的就业奠定了基础。

注释

① 谭会生，张昌凡.EDA技术及应用（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

② 刘娅琴，林霖.EDA课程教学探索与实践[J].电气电子教学学报，2010.8.32（4）.