电子与信息技术一体化教材
张渚职中校本课程
EDA(电子设计自动化)
主编:卢卫平
宜兴市张渚职业高级中学
前言本套教材紧密结合高职高专教育特点,主动适应社会实际需要,突出应用性、针对性,加强实践能力的培养.内容叙述力求深入浅出,将知识点与能力点有机结合,注重培养学生的工程应用能力和解决现场实际问题的能力:内容编排力求简洁明快、形式新颖、目标明确.利于促进学生的求知欲和学习主动性.
从20世纪中叶到21世纪初,电子系统的设计经历了手工设计、计算机辅助设计、计算机辅助工程设计及电子设计自动化四个阶段.而电子设计自动化(EDA)技术的发展更是给电子系统设计带来了革命性的变化.而将EDA技术引入高等职业技术教育的电子类教学中是编写此书的目的.
本书着重介绍运用EDA技术进行电子系统设计的有关知识和相关EDA工具的应用,即如何应用EDA工具完成电路设计、印制电路板设计、数字电路设计方法;用可编程逻辑器件进行数字系统设计、仿真和测试;以及在系统可编程模拟器件的应用,从而对EDA技术有一个较全面的了解.
本书第一、二、三章介绍如何应用EDA工具完成电路原理图设计、印制电路板设计.目前已有很多CAD软件可以辅助进行印制电路板的设计,如ORCAD等,在此选择目前广泛使用的Protel 99SE来进行学习.第四、五、六、七、八章介绍应用EDA工具对可编程逻辑器件进行设计,包括数字电路设计方法、可编程逻辑器件、VHDL语言、EDA开发工具使用、可编程模拟器件及应用,此部分内容在编写时分别介绍了Altera公司的MAX+plusⅡ、Lattice公司的ispDesignExpert两种较新的开发系统软件,并介绍了新型的模拟可编程逻辑器件(PAC)及其开发工具,读者可以根据需要选择某一种或几种同时学习,编写时重点突出了开发工具的使用方法和应用实例,即突出了实用性和操作性.
本书可以作为电子技术的加深课程或作为电子技术工程师参考用书.
本书的读者是大学在读的大学生、电子技术工程技术人员.
在本书的编写过程中,得到了南京伟福实业有限公司葛士忠工程师的大力帮助在此特别表示对他的致谢,此外还得到了同事、朋友的大力支持,在此也一并向他们表示感谢.
由于EDA技术发展快,更新快,加之作者水平有限,时间仓促,疏漏或错误之处,敬请读者批评指正.加之由于时间仓促、资料缺乏,有错误之处请读者原谅.
目录EDA技术概述 1
EDA技术的发展·1
EDA技术的基本特征·1
EDA技术的基本设计方法·7
可编程逻辑器件 11
概述 11
可编程逻辑器件简介·12
VHDL硬件描述语言·19
学好VHDL的重要性·19
VHDL语言·20
MAX+plus II开发环境应用简介·75
概述·75
Max+plusⅡ功能简介·75
Max+plusⅡ设计过程·77
实验系统的硬件结构·81
总体结构 83
外部设备 85
FPGA/EPLD适配板 88
实验系统模式选 90
逻辑分析仪 90
实验系统的自检 90
伟福EDA2000调试软件使用 93
EDA实验与课程设计·105
原理图输入实验·105
3-8译码器 105
组合逻辑电路设计 119
VHDL硬件描述语言实验·122
1位全加器 122
2选1多路选择器 123
8位硬件加法器 123
7段数码显示译码器 124
8位串入并出寄存器 125
8位并入串出寄存器 126
译码扫描显示电路设计 127
用状态机实现ADC0809的采样控制电路 128
硬件电子琴电路设计 130
秒表 133
课程设计课题·137
交通灯·137
具有整点报时的数字钟·139
第一章 EDA技术概述
人类社会已进入到高度发达的信息化社会,信息社会的发展离不开电子产品的进步. 现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时,价格却一直呈下降趋势,而且产品更新换代的步伐 也越来越快,实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展.前者以微细加工 技术为代表,目前已进展到深亚微米阶段,可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管;后者 的核心就是EDA技术.EDA是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化 技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作:IC设计,电子 电路设计以及PCB设计.没有EDA技术的支持,想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可 想象的,反过来,生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求.
第一节 EDA技术的发展
回顾近30年电子设计技术的发展历程,可将EDA技术分为三个阶段.
七十年代为CAD阶段,这一阶段人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑和PCB布局布线,取代了手工操作,产生了计算机辅助设计的概念.
八十年代为CAE阶段,与CAD相比,除了纯粹的图形绘制功能外,又增加了电路功能设 计和结构设计,并且通过电气连接网络表将两者结合在一起,以实现工程设计,这就是计算机辅助 工程的概念.CAE的主要功能是:原理图输入,逻辑仿真,电路分析,自动布局布线,PCB后分析.
九十年代为ESDA阶段.尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功,但并没有把人从繁重的 设计工作中彻底解放出来.在整个设计过程中,自动化和智能化程度还不高,各种EDA软件界面千 差万别,学习使用困难,并且互不兼容,直接影响到设计环节间的衔接.基于以上不足,人们开始 追求贯彻整个设计过程的自动化,这就是ESDA即电子系统设计自动化.
第二节 EDA技术的基本特征
EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向,它的基本特征是:设计人员按照"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,系统的关键电路用一片或几片专用集成 电路(ASIC)实现,然后采用硬件描述语言(HDL)完成系统行为级设计,最后通过综合器和适配 器生成最终的目标器件.这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法,具体流程还将在4.2节中 做深入介绍.下面介绍与EDA基本特征有关的几个概念.
"自顶向下"的设计方法
10年前,电子设计的基本思路还是选择标准集成电路"自底向上"(Bottom-Up)地构 造出一个新的系统,这样的设计方法就如同一砖一瓦地建造金字塔,不仅效率低、成本高而且还容易出错.
高层次设计
高层次设计给我们提供了一种"自顶向下"(Top-Down)的全新的设计方法,这种设计方法首先从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计.在方框图一级进行仿真、纠错,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证.然后用综合优化工具生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路.由于设计的主要 仿真和调试过程是在高层次上完成的,这不仅有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,而且也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率.
ASIC设计
现代电子产品的复杂度日益加深,一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构 成,这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题,解决这一问题的有效方法就是采用ASIC (Application Specific Integrated Circuits)芯片进行设计.ASIC按照设计方法的不同可分 为:全定制ASIC,半定制ASIC,可编程ASIC(也称为可编程逻辑器件). ---- 设计全定制ASIC芯片时,设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则,最 后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成.优点是:芯片可以获得最优的性能,即面积利用率高、速 度快、功耗低.缺点是:开发周期长,费用高,只适合大批量产品开发. ---- 半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同,分为门阵列设计法和标准单元设计法,这 两种方法都是约束性的设计方法,其主要目的就是简化设计,以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间. 可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于:设计人员完成版图设计后,在实验 室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与,大大缩短了开发周期. ---- 可编程逻辑器件自七十年代以来,经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段,其中 CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件,目前集成度已高达200万门/片,它将掩膜ASIC集成度高的 优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起,特别适合于样品研制或小批量产品开发, 使产品能以最快的速度上市,而当市场扩大时,它可以很容易的转由掩膜ASIC实现,因此开发风 险也大为降低. ---- 上述ASIC芯片,尤其是CPLD/FPGA器件,已成为现代高层次电子设计方法的实现载体.
硬件描述语言
硬件描述语言(HDL-Hardware Description Language)是一种用于设计硬件电子 系统的计算机语言,它用软件编
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