EDA与数字系统设计
1数字系统设计的基本概念
目前，数字技术已渗透到科研、生产和人们日常生活的各个领域。从计算机到家用电器，从手机到数字电话，以及绝大部分新研制的医用设备、军用设备等，无不尽可能地采用了数字技术。
数字系统是对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。
通常把门电路、触发器等称为逻辑器件。将由逻辑器件构成，能执行某单一功能的电路，如计数器、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件，把由逻辑功能部件组成的能实现复杂功能的数字电路称为数字系统。复杂的数字系统可以分割成若干个子系统，例如计算机就是一个内部结构相当复杂的数字系统。
不论数字系统的复杂程度如何，规模大小怎样，就其实质而言皆为逻辑问题，从组成上说，是由许多能够进行各种逻辑操作的功能部件组成的，这类功能部件，可以是小规模集成电路(SSD逻辑部件，也可以是各种MSI、LSI逻辑部件，甚至可以是CPU芯片。由于各功能部件之间的有机配合，协调工作，使数字电路成为统一的数字信息存储、传输、处理的电子电路。
与数字系统相对应的是模拟系统，和模拟系统相比，数字系统具有工作稳定可靠，抗干扰能力强，便于大规模集成，易于实现小型化、模块化等优点。
数字系统一般由控制电路、多个受控电路、输入／输出电路、时基电路等几部分构成。输入电路将外部信号(开关信号、时钟信号等)引入数字系统，经控制电路逻辑处理后，或控制受控电路，或经输出电路产生外部执行机构(发光二极管、数码管、扬声器等)所需的信号。数字系统通常是一个时序电路，时基电路产生各种时钟信号，保证整个系统在时钟作用下协调工作。
数字系统和逻辑功能部件之问的区别之一在于功能是否单一，一个存储器，尽管规模很大，可以达到数兆甚至G字节，但因其功能单一，只能算是逻辑功能部件，而由几片MSI构成的交通灯控制器却应称为系统。
数字系统和功能部件之间的区别之二是是否包含控制电路，一个数字电路，无论其规模大小，只有在具有控制电路的情况下才能称之为系统。控制电路根据外部输入信号、各受控电路的反馈信号、控制电路的当前状态，决定系统的下一步动作。控制电路的逻辑关系最为复杂，是数字系统设计中的关键。
2数字系统设计方法简介
数字系统设计的一般流程为：
2.1明确设计要求，确定系统的输入/输出
在具体设计之前，详细分析设计要求，确定系统输入/输出信号是必要的。例如，要设计一个交通灯控制器，必须明确系统的输入信号有哪些(由传感器得到的车辆到来信号、时钟信号)，输出要求是什么(红、黄、绿交通灯正确显示和时间显示)，只有在明确设计要求的基础上，才能使系统设计有序地进行。
2.2确定整体设计方案
对于一个具体的设计，可能有多种不同的方案，确定方案时，应对不同方案的性能、成本、可靠性等方面进行综合考虑，最终确定设计方案。
2.3自顶向下(Top．down)的模块化设计方法
数字系统的设计通常有两种设计方法：一种是自底向上的设计方法；一种是白顶向下的设计方法。
自底向上(Bottom．up)的设计过程从最底层设计开始。设计系统硬件时，首先选择具体的元器件，用这些元器件通过逻辑电路设计，完成系统中各独立功能模块的设计，再把这些功能模块连接起来，总装成完整的硬件系统。
这种设计过程在进行传统的手工电路设计时经常用到，优点是符合硬件设计工程师传统的设计习惯；缺点是在进行底层设计时，缺乏对整个电子系统总体性能的把握，在整个系统设计完成后，如果发现性能尚待改进，修改起来比较困难，因而设计周期长。
随着集成电路设计规模的不断扩大，复杂度的不断提高，传统的电路原理图输入法已经无法满足设计的要求。EDA工具和HDL的产生使自项向下(Top—down)的设计方法得以实现。
自顶向下(Top—down)的设计方法是在顶层设计中，把整个系统看成是包含输入输出端口的单个模块，对系统级进行仿真、纠错，然后对顶层进行功能框图和结构的划分，即从整个系统的功能出发，按一定原则，将系统分成若干个子系统，再将每个子系统分成若干个功能模块，进而将每个模块分成若干个小的模块hellip;hellip;直至分成许多基本模块实现。这样将系统模块划分为各个子功能模块，并对其进行行为描述，在行为级进行验证。
例如，交通灯控制器的设计，可以把整个系统分为主控电路、定时电路、译码驱动显示等。定时电路可以由计数器功能模块构成，译码驱动显示可由SSI构成的组合逻辑电路组成，这两部分都是设计者所熟悉的各种功能电路，设计起来并不困难，这样交通灯控制器的设计的主要问题就是控制电路的设计了，而这是一个规模不大的时序电路，也就是说可以把一个复杂的数字系统的设计变成一个较小规模的时序电路的设计，从而大大简化设计的难度，缩短设计周期。由于设计调试都可以针对这些子模块进行，使修改设计也变得非常方便。
模块分割的一般要求为：
1)各模块之问的逻辑关系明确。
2)各模块内部逻辑功能集中，且易于实现。
3)各模块之问的接口线尽量少。
模块化的设计最能体现设计者的思想，分割合适与否对系统设计的方便与否有着至关重要的影响，
2.4数字系统的设计
数字系统的设计可以在以下几个层次上进行：
1)选用通用集成电路芯片构成数字系统。
2)应用可编程逻辑器件实现数字系统。
3)设计专用集成电路(单片系统)。
用通用集成电路构成数字系统即采用SSI、MSI、LSI(如74系列芯片，计数器芯片，存储器芯片等)，根据系统的设计要求，构成所需数字系统。早期的数字系统的设计，都是在这个层次上进行的，电子工程师设计电子系统的过程一般是：根据设计要求，进行书面设计一一选择器件一一电路搭建调试——样机制作，这样完成的系统设计，由于芯片之间的众多连接，造成系统的可靠性不高，也使系统体积相对较大，集成度低。当数字系统大到一定规模时，搭建调试会变得非常困难甚至不可行。
随着数字集成技术和电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)技术的迅速发展，数字系统设计的理论和方法也在相应地变化和发展着。EDA技术是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)等技术发展而来的。它以计算机为工具，设计者只需对系统功能进行描述，就可在EDA工具的帮助下完成系统设计。
应用可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)实现数字系统设计和单片系统的设计，是目前利用EDA技术设计数字系统的潮流。这种设计方法以数字系统设计软件为工具，将传统数字系统设计中的搭建调试用软件仿真取代，对计算机上建立的系统模型，用测试码或测试序列测试验证后，将系统实现在PLD芯片或专用集成电路上，这样最大程度地缩短了设计和开发时间，降低了成本，提高了系统的可靠性。
高速发展的可编程逻辑器件为EDA技术的不断进步奠定了坚实的物理基础。大规模可编程逻辑器件不但具有微处理器和单片机的特点，而且随着微电子技术和半导体制造工艺的进步，集成度不断提高，与微处理器、DSP、A/D、D/A、RAM和ROM等独立器件之间的物理与功能界限正日趋模糊，嵌入式系统和片上系统(SOC)得以实现。以大规模可编程集成电路为物质基础的EDA技术打破了软硬件之间的设计界限，使硬件系统软件化。这已成为现代电子设计技术的发展趋势。
3可编程逻辑器件简介
数字集成电路从它的产生到现在，经过了早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，到大规模、超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路的发展过程。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(Application Specifi,Integrated Circuit，ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(Field Programmable Logic Device，FPLD)，其中应用最广泛的当属CPLD和FPGA．
CPLD是复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device)的简称，FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的简称。两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD／FPGA。
可编程逻辑器件是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用。
可编程逻辑器件能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用可编程逻辑器件来实现。可编程逻辑器件如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法或硬件描述语言，自由地设计一个数字系统，通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计。
使用可编程逻辑器件来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少芯片面积，提高系统的可靠性。可编程逻辑器件的这些优点使得可编程逻辑器件技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(Hardware DescriptionLanguage，HDL)的进步。
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(EEPROM)三种，它们由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成，由于阵列规模大，速度低，主要用途是作存储器。
20世纪70年代中期，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，称为可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)。它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，虽然其阵列规模大为减小，提高了芯片的利用率，但由于编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而也没有得到广泛应用。
20世纪70年代末，美国MMI公司(Monolithic Memories Inc，单片机存储器公司)率先推出了可编程阵列逻辑器件(Programmable Array Logic，PAL)。PAL由可编程的与阵列和固定的或阵列构成，采用熔丝编程方式、双极型工艺制造。PAL在器件的工作速度、输出结构种类上较早期的可编程逻辑器件有了很大进步，但由于其输出方式的固定不能重新组态，所以编程灵活性较差，又由于采用的是PROM工艺，只能一次性编程，使用者仍要承担一定风险。
20世纪80年代中期，Altera公司发明了通用阵列逻辑(Generic Array Logic，GAL)。它和PAL的区别在于GAL的输出电路可以组态，而且它大多采用UVCMOS或E2CMOS工艺，实现了重复编程，通常可擦写百次以上，甚至上千次。GAL由于其设计具有很强的灵活性，设计风险为零，可以取代大部分SSI、MSI、和PAL器件，所以在20世纪80年代得到广泛使用。
这些早期的可编程逻辑器件的一个共同特点是都属于低密度PLD，结构简单，设计灵活，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。
其后，随着集成电路工艺水平的不断提高，PLD突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适用范围更宽的方向发展，因而相继出现了各种不同结构的高密度PLD。20世纪80年代中期，Altera公司推出了一种新型的可擦除、可编程逻辑器件(Erasable Programmable Logic Device，EPLD)，它采用CMOS和UYEPROM工艺制作，集成度比PAL和GAL高得多，设计也更加灵活，但内部互联能力比较弱。
1985年Xilinx公司首家推出了现场可编程门阵列器件(Field Programmable Gate ArrayFPGA)，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS．SRAM工艺制作，其结构和阵列型PLD不同，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑模块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置设计能力等许多优点。FPGA出现后立即受到世界范围内电子工程师的普遍欢迎，并得到迅速发展。
20世纪80年代末，Lattice公司提出在系统可编程(In System Programmable，ISP)技术后，相继出现了一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)，CPLD是在EPLD的基础上发展起来的，它采用E2CMOS工艺制作，增加了内部联线，改进了内部结构体系，因而比EPLD性能更好，设计更加灵活，其发展也非常迅速。
不同厂家对可编程逻辑器件的叫法也不尽相同。Xilinx公司把基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的EEPROM的可编程逻辑器件称为FPGA；把基于乘积项技术，Flash工艺(类似EEPROM工艺)的可编程逻辑器件称为CPLD。Altera公司把自己的可编程逻辑器件产品中的MAX系列(乘积项技术，EEPROM工艺)、FLEX系列(查找表技术，SRAM工艺)都叫做CPLD；而把也是SRAM工艺、基于查找表技术、要外挂配置用的FLEX系列的EPROM叫做FPGA。
20世纪90年代以后，高密度PLD在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展，C
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EDA and digital system design
1.Basic concept of digital system design.
At present, digital technology has penetrated into the fields of scientific research, production and People#39;s Daily life. From computers to home appliances, from mobile phones to digital phones, and most of the newly developed medical equipment and military equipment, digital technology has been adopted as far as possible.
Digital system is an electronic system that stores, transmits and processes digital information.
The gate circuit, trigger, and so on are usually called logic devices. Would consist of a logical device that can perform a single function of the circuit, such as counter, decoder, adder, called logical features, by logical function of parts can realize complex function of digital circuit is called the digital system. A complex number system can be divided into several subsystems, such as a computer, which is a fairly complex digital system.
Regardless of the complexity of the digital system, the size, in terms of its essence are logical problems, from the composition, is made up of many can do all kinds of logic operation function of parts, this kind of features, can be a small-scale integrated circuit (SSD logic unit, also can be all kinds of MSI, LSI logic unit, and can even CPU chip. Because of the organic cooperation between the functional components, the coordination work makes the digital circuit become a unified digital information storage, transmission and processing electronic circuit.
Corresponding to the digital system is to simulate system, compared with analog system, digital system has a stable and reliable work, strong anti-jamming capability, easy to large-scale integrated, easy to realize miniaturization, modularization, etc.
The digital system is generally composed of control circuit, multiple controlled circuits, input/output circuits, time base circuits and so on. External signal input circuit (switch signal and clock signal, etc.) the introduction of digital system, the control circuit logic processing, or control the controlled circuit, or the output circuit external actuator (light emitting diode, digital tube, speakers, etc.) the required signal. The digital system is usually a sequential circuit, and the time base circuit produces various clock signals to ensure that the whole system coordinates work under the action of the clock.
Digital system and the logic feature of q is one of the function is single, the difference between a memory, although the size is large, can reach several megabytes and even gigabytes, but because of its single function, can be logical features, whereas the traffic light controller is composed of a couple of MSI should be referred to as a system.
Digital system and features the difference between the second is whether to include control circuit, a digital circuit, whatever its size, can only be called in cases with control circuit system. The control circuit determines the next step of the system according to the external input signal, the feedback signal of each controlled circuit and the current state of the control circuit. The logic relation of the control circuit is the most complex, which is the key in the design of digital system.
2.Introduction to digital system design method.
The general flow of digital system design is：
1)Define the design requirements and determine the input/output of the system.
Before specific design, detailed analysis design requirements, determine the system input/output signal is necessary. For example, to design a traffic light controller, what are the input signal must be explicitly system (vehicle arrival signals which are obtained by the sensor, the clock signal), what are the requirements for the output (red, yellow and green traffic lights display correctly and time display), only on the basis of the specific design requirements, to make the system design in an orderly fashion.
2)Determine the overall design plan.
For a specific design, there may be several different schemes, determining the scheme, the response to different schemes of performance, cost, reliability, etc, a comprehensive consideration, the design scheme was finally determined.
3)The top-down Modular design method.
Digital system design usually has two design methods: one is the bottom-up design method; One is a white top-down design.
The bottom-up design process starts with the lowest level design. When designing the system hardware, first select the specific components, with these components through the logic circuit design, complete independent function module design of the system, and then connect these function modules, assembly into a complete hardware system.
This design process is often used in traditional manual circuit design, which is in line with the traditional design habits of hardware design engineers. Defect is in the underlying design, a lack of mastery of the electronic system overall performance in the whole system design is completed, if it is found that performance for improvement, change is difficult, and thus design cycle is long.
With the continuous expansion of the scale of integrated circuit design and the increasing complexity, the traditional circuit schematic input method has been unable to meet the design requirements. EDA tools and HDL production have enabled the top-down design method to be implemented.
The top-down design method is on the top floor, in the design of the whole system as input and output port of a single module, the system level simulation, error correction, and then to the division of function block diagram and the structure of the top-level, namely, starting from the functions of the system as a whole, according to certain principle, the system is divided into several subsystems, then each subsystem is divided int
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