電路計算機輔助設計(二)

電路計算機輔助設計

吉林大學通信工程學院

高燕梅

教學內容與要求

第1章EDA技術簡介

第2章VerilogHDL語言編程（10學時）

第3章VHDL語言編程（4學時）

第4章MATLAB程序入門（12學時）

第5章MATLAB在電路中的應用（4學時）

每章有實驗室上機實驗

dee.jlu.edu.cn/eeec實驗教學

成績評定標準

■五級分制

■作業(yè)加上機考核：

1、作業(yè)必做，上機交作業(yè)時隨機考兩個問題。

2、點名沒有缺勤，加分。

3、每次課最后有互動搶答，3次答對，只需交作業(yè),

可免試。

第1章EDA技術簡介

1.1EDA技術的主要內容

1.2EDA軟件系統(tǒng)的構成

1.3EDA的工程設計流程

1.4數(shù)字系統(tǒng)的設計方法

第2章VerilogHDL語言編程

2.1VerilogHDL設計模塊的基本結構

2.2VerilogHDL詞法構成

2.3VerilogHDL的語句

2.4VerilogHDL模型

2.5VerilogHDL設計電路流程

2.6用VerilogHDL描述邏輯電路的實例

第3章VHDL語言編程基礎

3.1概述

3.2VHDL程序基本結構

3.3VHDL語言要素

3.4VHDL順序語句

3.5VHDL并行語句

3.6子程序(SUBPROGRAM)

3.7庫、程序包及其他

3.8VHDL描述風格

3.9基本邏輯電路設計

3.10狀態(tài)機的VHDL設計

第4章MATLAB程序入門

4.1基本語法

4.1.1變量及其賦值

4.4.2矩陣的初等運算

4.1.3元素群運算

4.1.4邏輯判斷及流程控制

4-2基本繪圖方法

4.2.1M文件及程序調試

4.2.2MATLAB的開發(fā)環(huán)境和工具

第5章MATLAB在電路中的應用

5.1電阻電路和動態(tài)電路

5.2正弦穩(wěn)態(tài)電路和頻率響應

5.3二端口電路

5.4濾波器

第1章EDA技術簡介

1.1EDA技術的主要內容

■EDA是電子設計自動化(ElectronicDesignAutomation)的

縮寫。

■EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用

硬件描述語言HDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏

輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至

對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

■EDA技術的出現(xiàn)，極大地提高了電路設計的效率和可靠性，減

輕了設計者的勞動強度。

■在電子技術設計領域，可編程邏輯器件(如CPLD、FPGA)的

應用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設計帶來了

極大的靈活性。

■CPLD、FPGA器件可以通過軟件編程而對硬件結構和工作方式

進行重構，從而使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快

捷。促進了EDA技術的迅速發(fā)展。

EDA技術涉及面廣，內容豐富，主要應掌握如下四個方面的

內容：

①大規(guī)模可編程邏輯器件，大規(guī)模可編程邏輯器件是利用

EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的載體。FPGA和CPLD

②硬件描述語言，硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系

統(tǒng)設計的主要表達手段。VHDL、Verilog>ABEL

③軟件開發(fā)工具，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術進行電子系

統(tǒng)設計的智能化的自動化設計工具。

Altera的MAX+plusII、Lattice的ispEXPERT、Xilinx的

FoundationSerieso

④實驗開發(fā)系統(tǒng)，實驗開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術進行電子

系統(tǒng)設計的下載工具及硬件驗證工具。

1大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?/p>

■可編程邏輯器件（簡稱PLD）是一種由用戶編程以實現(xiàn)

某種邏輯功能的新型邏輯器件。

■FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列的簡稱，

■CPLD是復雜可編程邏輯器件的簡稱。

■高集成度、高速度和高可靠性是FPGA/CPLD最明顯

的特點，其時鐘延時可小至ns級，結合其并行工作方

式，在超高速應用領域和實時測控方面有著非常廣闊

的應用前景。

■FPGA/CPLD的高可靠性還表現(xiàn)在幾乎可將整個系統(tǒng)

下載于同一芯片中，實現(xiàn)所謂片上系統(tǒng)，從而大大縮

小了體積，易于管理和屏蔽。

2硬件描述語言(HDL)

常用的硬件描述語言有VHDL、Verilog、ABELo

■VHDL：作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，在

電子工程領域，已成為事實上的通用硬件描述語言。

■Verilog：支持的EDA工具較多，適用于RTL級

(寄存器轉換級)和門電路級的描述，其綜合過程

較VHDL稍簡單，但其在高級描述方面不如VHDL。

■有專家認為，在新世紀中，VHDL與Verilog語言將

承擔幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)設計任務。

3軟件開發(fā)工具

目前比較流行的、主流廠家的EDA的軟件工具有：

■Altera的MAX+plusII、升級版QuartusH；

■Lattice的ispEXPERT；

■Xilinx的FoundationSeries。

■MAX+plusII是Altera公司開發(fā)的EDA工具軟件。

Altera公司是世界上最大的可編程邏輯器件供應商之一。

MAX+plusII軟件是一個集成化的可編程邏輯器件開發(fā)

環(huán)境，設計者能在這個環(huán)境下進行邏輯設計，完成設計

文件的輸入編輯、編譯、仿真、綜合、布局布線和編程

下載等設計工作。軟件界面友好、方便易學、功能全面,

是非常流行的大眾化EDA平臺。

■MAX+plusII：支持原理圖、VHDL和Verilog語

言文本文件，以及以波形與EDIF等格式的文件作

為設計輸入，并支持這些文件的任意混合設計。

■它具有門級仿真器，可以進行功能仿真和時序仿

真，能夠產生精確的仿真結果。

■在適配之后，MAX+plusII生成供時序仿真用的

EDIF、VHDL和Verilog這三種不同格式的網表文

件。

■它界面友好，使用便捷，被譽為業(yè)界最易學易用

的EDA的軟件，并支持主流的第三方EDA工具，

支持所有Altera公司的FPGA/CPLD大規(guī)模邏輯器

件。

4實驗開發(fā)系統(tǒng)

提供芯片下載電路及EDA實驗/開發(fā)的外圍資

源（類似于用于單片機開發(fā)的仿真器），供硬件驗

證用。一般包括：

①實驗或開發(fā)所需的各類基本信號發(fā)生模塊，

包括時鐘、脈沖、高低電平等；

②FPGA/CPLD輸出信息顯示模塊，包括數(shù)碼顯

示、發(fā)光管顯示、聲響指示等；

③監(jiān)控程序模塊，提供“電路重構軟配置”；

④目標芯片適配座以及上面的FPGA/CPLD目標

芯片和編程下載電路。

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1.2EDA軟件系統(tǒng)的構成

■EDA技術研究的對象是電子設計的全過程，有系統(tǒng)級、

電路級和物理級3個層次的設計。

■涉及的電子系統(tǒng)從低頻、高頻到微波，從線性到非線性,

從模擬到數(shù)字，從通用集成電路到專用集成電路構造的

電子系統(tǒng)，因此EDA技術研究的范疇相當廣泛。

■EDA軟件系統(tǒng)應當包含以下子模塊：

■設計輸入子模塊、

■設計數(shù)據庫子模塊、

■分析驗證子模塊、

■綜合仿真子模塊、

■布局布線子模塊等。

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(1)設計輸入子模塊；用戶編輯輸入模塊的設計描

述，并進行語義正確性、語法規(guī)則的檢查，檢查通

過后，將用戶的設計描述數(shù)據轉換為EDA軟件系統(tǒng)

的內部數(shù)據格式，存入設計數(shù)據庫被其他子模塊調

用。

■設計輸入子模塊不僅能接受圖形描述輸入、硬件描

述語言(HDL)描述輸入，還能接受圖文混合描述輸

入。

■該子模塊一般包含針對不同描述方式的編輯器，如

圖形編輯器、文本編輯器等，同時包含對應的分析

奧

珀-O

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(2)設計數(shù)據庫子模塊：該模塊存放系統(tǒng)提供的庫單

元以及用戶的設計描述和中間設計結果。

(3)分析驗證子模塊：該模塊包括各個層次的模擬驗

證、設計規(guī)則的檢查、故障診斷等。

(4)綜合仿真子模塊：該模塊包括各個層次的綜合工

具，理想的情況是：從高層次到低層次的綜合仿真

全部由EDA工具自動實現(xiàn)。

(5)布局布線子模塊：該模塊實現(xiàn)由邏輯設計到物理

實現(xiàn)的映射，因此與物理實現(xiàn)的方式密切相關。例

如，最終的物理實現(xiàn)可以是門陣列、可編程邏輯器

件等，由于對應的器件不同，因此各自的布局布線

工具會有很大的差異。

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1.3EDA的工程設計流程

1源程序的編輯和編譯

利用EDA技術進行一項工程設計，首先需利用EDA工

具的文本編輯器或圖形編輯器將它用文本方式或圖形方式

表達出來，進行排錯編譯，變成Verilog、VHDL文件格式,

為進一步的邏輯綜合作準備。

常用的源程序輸入方式有三種。

(1)原理圖輸入方式：利用EDA工具提供的圖形編輯器以

原理圖的方式進行輸入。原理圖輸入方式比較容易掌握，

直觀且方便，所畫的電路原理圖與傳統(tǒng)的器件連接方式完

全一樣，很容易被人接受，而且編輯器中有許多現(xiàn)成的單

元器件可以利用，自己也可以根據需要設計元件。

文本編輯器圖形編輯器

0UHDL源程序

生成VHDL源程序

口

VHDL綜合器

0網表文件

(EDIF,XNF,VHDL...)

行為仿真|邏輯綜合、優(yōu)化

VHDL

功能仿真

仿真器0

時序仿真FPGA/CPLD布線/適配器

熔絲圖、SRAM文件、

VHDUVetilog網表

自動優(yōu)化、布局、布線/適配◎

◎

測試電路編程器K載電纜功能仿真

5**-**?門級

硬件測試0編程、下載時序仿真仿真器

(2)狀態(tài)圖輸入方式：以圖形的方式表示狀態(tài)圖進

行輸入。當填好時鐘信號名、狀態(tài)轉換條件、狀

態(tài)機類型等要素后，就可以自動生成VHDL程序。

這種設計方式簡化了狀態(tài)機的設計，比較流行。

(3)Verilog>VHDL軟件程序的文本方式：最一般

化、最具普遍性的輸入方法，任何支持VHDL的

EDA工具都支持文本方式的編輯和編譯。

2邏輯綜合和優(yōu)化

■將VHDL的軟件設計與硬件的可實現(xiàn)性掛鉤，需要

利用EDA軟件系統(tǒng)的綜合器進行邏輯綜合。

■綜合器的功能就是將設計者在EDA平臺上完成的

針對某個系統(tǒng)項目的HDL、原理圖或狀態(tài)圖形的描

述，針對給定硬件結構組件進行編譯、優(yōu)化、轉換

和綜合，最終獲得門級電路甚至更底層的電路描述

文件。

■綜合器工作前，必須給定最后實現(xiàn)的硬件結構參數(shù)，

它的功能就是將軟件描述與給定硬件結構用某種網

表文件的方式聯(lián)系起來。

■綜合器是軟件描述與硬件實現(xiàn)的一座橋梁。綜合過

程就是將電路的高級語言描述轉換成低級的，可與

FPGA/CPLD或構成ASIC的門陣列基本結構相映射

的網表文件。

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1.4數(shù)字系統(tǒng)的設計方法

■數(shù)字系統(tǒng)設計有多種方法，如模塊設計法、自頂向

下設計法和自底向上設計法等。

■數(shù)字系統(tǒng)的設計一般采用自頂向下、由粗到細、逐

步求精的方法。

■自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系

統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進一

步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個

系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關系合理，并便于邏輯電路級的設計

和實現(xiàn)為止。

■采用該方法設計時，高層設計進行功能和接口描述，

說明模塊的功能和接口，模塊功能的更詳細的描述在

下一設計層次說明，最底層的設計才涉及具體的寄存

器和邏輯門電路等實現(xiàn)方式的描述。

采用自頂向下的設計方法有如下優(yōu)點：

(1)自頂向下設計方法是一種模塊化設計方法。對設計的描述從

上到下逐步由粗略到詳細，符合常規(guī)的邏輯思維習慣。由于高層

設計同器件無關，設計易于在各種集成電路工藝或可編程器件之

間移植。

(2)適合多個設計者同時進行設計。隨著技術的不斷進步，許多

設計由一個設計者已無法完成，必須經過多個設計者分工協(xié)作完

成一項設計的情況越來越多。在這種情況下，應用自頂向下的設

計方法便于由多個設計者同時進行設計，對設計任務進行合理分

配，用系統(tǒng)工程的方法對設計進行管理。

針對具體的設計，實施自頂向下的設計方法的形式會有所不同,

但均需遵循以下兩條原則：逐層分解功能，分層次進行設計。同

時，應在各個設計層次上，考慮相應的仿真驗證問題。

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第2章VerilogHDL語言

2.1VerilogHDL設計模塊的基本結構

■VerilogHDL程序設計由模塊(module)構成的，設計模塊的基本結構如圖，

一個完整的VerilogHDL設計模塊包括端口定義、I/O聲明、信號類型聲明和

功能描述4個部分。

BCD_adders

一、模塊端口的定義—AAC[33.-.-03SSUUMMCC33....0O3J—

COUT

■模塊端口定義用來聲明電路設計模塊-BC3..0O3JCOUT-

的輸入/輸出端口，端口定義格式如下：—[C^IN___________________,

module模塊名(端口1,端口2,端口3,…)注...

■在端口定義的括號中，是設計電路模塊與外界聯(lián)系的全部輸入/輸出端口信號

或引腳，是設計實體對外的一個通信界面，是外界可以看到的部分(不包含

電源和接地端)，多個端口之間用”分隔。例如1位全加器adder模塊的

端口定義為

■moduleadder(sum,cout,ina,inb,cin)；模塊名adder

二、模塊內容

模塊內容包括I/O聲明、信號類型聲明和功能描述。

(1)模塊的I/O聲明

模塊的I/O聲明用來聲明模塊端口定義中各端口數(shù)據流動方向，

括輸入(input)、輸出(output)和雙向(inout)。I/O聲明格式如一

input端口1,端口2,端口3,…；〃聲明輸入端口

output端口1,端口2,端口3,…；//聲明輸出端口

■例如，1位全加器的I/O聲明為

inputina,inb,cin;

outputsum,cout;A|c/co|-co

B

（2）信號類型聲明

■信號類型聲明是聲明設計電路的功能描述中所用的信號的數(shù)

據類型和函數(shù)。信號的數(shù)據類型主要有連線（wire）、寄存

器（reg）、整型（integer）、實型（real）、和時間

（time）等。

（3）功能描述

■功能描述是VerilogHDL程序設計中最主要的部分，用

來描述設計模塊的內部結構和模塊端口間的邏輯關系，在電

路上相當于器件的內部電路結構。功能描述可以用assign語

句、元件例化（instantiate）方式、always塊語句、initial

塊語句等方法來實現(xiàn)，通常將設計模塊描述的方法稱為建模。

①用assign語句建模

■用assign語句建模的方法很簡單，只需要在“assign”后面再

加一個表達式。Assign語句一般適合對組合邏輯進行賦值，稱

為連續(xù)賦值方式。ABCisCo

■例1一位全加器的設計00000

A-nt00110

01010

B-01101

LC0|—8

CI—10010

10101

■1位全加器的邏輯符號：11001

sum是全加器的和輸出端,11111

cout是進位輸出端,ina和inb是兩個加數(shù)輸入端,

cin是低位進位輸入端。

■全加器的VerilogHDL源程序如下:

moduleadded(sum,cout,ina,inb,cin);

inputina,inb,cin;

outputsum,cout;

assign{cout,sum}=ina+inb+cin;

co

endmodule

“assign{cout,sum}=ina+inb+cin;''語7句實現(xiàn)1

位全加器隨進位輸出cout寫和輸出sum的建模。

■在語句表達式中，用拼接運算符“{}”將cout、sum這

兩個1位操作數(shù)拼接為一個2位操作數(shù)。

②用元件例化(instantiate)方式建模

■元件例化方式建模是利用VerilogHDL提供的元件庫實現(xiàn)的。

例如，用與門例化元件定義一個三輸入端與門可以寫為

■andmyand3(y,a,b,c);and是VerilogHDL元件庫中與門元件

名，myand3是例化出的三輸入端與門名，y是寫門輸由端，a、

b、c是輸入端。

③用always塊語句建模

■always塊語句可以產生各種邏輯，常用于時序邏輯的功能

描述。一個程序設計模塊中，可以包含一個或多個always語句。

程序運行中，在某種條件滿足時，就重復執(zhí)行一遍always結構

中的語句。

例28位二進制加法計數(shù)器的設計_也

二

■8位二進制加法計數(shù)器的邏輯符號如圖。是諼二COUT

進OUTO

■OUT是8位二進制計數(shù)器的輸出端（8位CLR一

向量）；苗二制OUT1

OUT2

加

■COUT是進位輸出端（1位）；D2-OUT3

法OUT4

■DATA是并行數(shù)據輸入端（8位向量）；北二計OUT5

OUT6

■LOAD是計數(shù)器的預置控制輸入端，萬一數(shù)OUT7

t,D6—

器

■當LOAD=1時，OUT=DATA；D7_

■CLK是時鐘控制輸入端，上升沿為有效CIN-

邊沿；

■CLR是同步復位輸入端，當CLK的上升

沿到來時且CLR=1,則計數(shù)器被復位，

OUT=OOOOOOOOo

（邏輯符號圖是由計算機對計數(shù)器電路的VerilogHDL源代碼

編譯后產生的元件符號，圖中的輸入/輸出標識符自動被改為大

寫，而源程序中的標識符都是小寫。）

8位二進制加法計數(shù)器的VerilogHDL源程序如下:

modulecnt8(out,cout,dataJoad,cin,elk,clr)

限

input[7:0]data;

LOAD二

inputload,cin,elk,clrCLK—COUT

output[7:0]out;CLR—進OUTU

制OUT1

outputcout;D0—

D1—