3.3 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,它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式,与传统的门级描述方式相比,它更适合大规模系统的设计。例如一个32位的加法器,利用图形输入软件需要输入500至1000个门,而利用VHDL语言只需要书写一行A=B+C即可,而且VHDL语言可读性强,易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言,如ABEL–HDL、AHDL,由不同的EDA厂商开发,互不兼容,而且不支持多层次设计,层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上不足,1985年美国国防部正式推出了VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)语言,1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准(IEEE STD-1076)。

  VHDL是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述,因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能,整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点:

  (1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心,将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试,而化较少的精力于物理实现。

  (2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计,灵活且方便,而且也便于设计结果的交流、保存和重用。

  (3)VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。

  (4)VHDL是一个标准语言,为众多的EDA厂商支持,因此移植性好。

3.4 系统框架结构

  EDA系统框架结构(Framework)是一套配置和使用EDA软件包的规范,目前主要的EDA系统都建立了框架结构,如Cadence公司的Design Framework,Mentor公司的Falcon Framework,而且这些框架结构都遵守国际CFI组织(CAD Framework Initiative)制定的统一技术标准。Framework能将来自不同EDA厂商的工具软件进行优化组合,集成在一个易于管理的统一的环境之下,而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中信息的传输与共享,是并行工程和Top–Down设计方法的实现基础。

4 EDA技术的基本设计方法

  EDA技术的每一次进步,都引起了设计层次上的一个飞跃,可以用图1说明

图1 EDA技术设计层次的变化

  物理级设计主要指IC版图设计,一般由半导体厂家完成,对电子工程师没有太大的意义,因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。

4.1 电路级设计

  电路级设计工作流程如图2所示,电子工程师接受系统设计任务后,首先确定设计方案,同时要选择能实现该方案的合适元器件,然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真,包括数字电路的逻辑模拟、故障分析,模拟电路的交直流分析、瞬态分析。系统在进行仿真时,必须要有元件模型库的支持,计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。

  仿真通过后,根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析,包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等,并且可以将分析后的结果参数反标回电路图,进行第二次仿真,也称为后仿真,这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

  由此可见,电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生前,就可以全面的了解系统的功能特性核物理特性,从而将开发风险消灭在设计阶段,缩短了开发时间,降低了开发成本。

图2 电路级设计工作流程

图3 系统级设计工作流程