EDA技术章节简介 EDA技术课程前言 为了使大家对EDA技术课程学习有个总体把握，便于整个课程的后续学习，作为EDA技术课程的前言，我们将讲解三个方面的内容：EDA技术课程的简要介绍；EDA技术课程的学习条件；EDA技术课程的学习指导。其中EDA技术课程的简要介绍包括EDA技术的起源与发展、《EDA技术》课程简介、《EDA技术》课程团队等内容。EDA技术课程的学习条件包括需要准备的教材和参考资料、需要准备的EDA软件、需要准备的EDA实验开发系统（开发板）等。EDA技术课程的学习指导包括以培养应用EDA技术进行某些领域产品设计开发能力为目标的层次递进、自主研究式学习的EDA技术立体学习体系；根据以学生为中心、以培养学生利用EDA技术进行电子系统设计与开发能力为目标、适合线上微课程教学要求的课程教学内容重构思路；整个课程的教学改革，要注重研究式教学，注重实践能力和自学能力培养，并阐述了EDA技术学习要点。 第一章 EDA技术设计与应用概述 为了对EDA技术的基本概念、基础知识和设计流程等内容有个全面的了解，以便后续的学习，本章将概括地学习EDA技术的涵义，EDA技术的主要内容，EDA的工程设计流程等内容，并对EDA技术研究性教学进行了探讨。 1.1 EDA技术的涵义：本节将学习EDA技术的涵义，具体包括：EDA技术的起源； EDA技术的涵义；EDA技术的特点。 1.2 EDA技术的主要内容：本节将学习EDA技术的主要内容，在探讨EDA技术体系的基础上，重点学习大规模可编程逻辑器件、硬件描述语言、软件开发工具、实验开发系统的基本概念、基础知识。 1.3 EDA的工程设计流程：本节将学习EDA的工程设计流程，具体包括：FPGA/CPLD的工程设计流程；ASIC工程设计流程；SOPC工程设计流程。 1.4 EDA技术学习探讨：本节将探讨EDA技术的研究性教学，具体包括：开展EDA技术研究性教学的意义；开展EDA技术研究性教学的方法；开展EDA技术研究性教学的成效。 第二章 EDA技术设计与应用基础 利用EDA技术进行电子系统的设计与应用，首先应该熟悉EDA软件开发工具和EDA实验开发系统的使用，而利用典型实例进行学习则是一种非常有效的方法。本章首先概括地学习VHDL程序基本结构，其次学习常用EDA工具软件安装指南，接着学习常用EDA工具软件操作的用例——VHDL源程序和VHDL仿真测试程序，再接着以实例的形式重点学习Altera Quartus Ⅱ等常用EDA工具软件的使用，包括源程序的输入、有关仿真、管脚的锁定、逻辑综合与适配、编程下载等操作步骤与方法。最后学习EDA实验开发系统的工作原理和具体使用，包括：（1）通用EDA实验开发系统的基本组成、性能指标、工作原理以及其一般使用方法（2）GW48系列EDA实验开发系统的工作原理及其使用方法；（3）EDA实验开发系统的具体使用实例。 2.1 VHDL程序基本结构：本节将学习VHDL程序基本结构，具体包括：（1）VHDL程序的基本结构：VHDL程序应描述的内容；VHDL程序设计举例；VHDL程序的基本结构；（2）库、程序包的使用说明：库、程序包的作用，库的种类，程序包的种类，库、程序包使用说明；（3）实体描述；结构体描述；结构体配置。 2.2 常用EDA工具软件操作用例：本节将学习常用EDA工具软件操作用例，具体包括：（1）4位十进制计数器电路的VHDL程序设计：系统设计要求，系统设计思路，主要VHDL源程序设计与分析，学习扩展练习；（2）计数动态扫描显示电路的设计：系统设计要求，系统设计思路，主要VHDL源程序设计与分析，学习扩展练习；（3）EDA仿真测试模型及程序：EDA仿真测试模型，EDA仿真的基本步骤，EDA仿真测试程序。 2.3 常用EDA工具软件安装指南：本节将学习常用EDA工具软件安装的要点和注意事项，具体包括：硬软件配置的选择；EDA软件的安装，授权文件的准备，软件授权的设置，环境变量的设置；驱动程序的安装。 2.4 Altera QuartusⅡ操作指南：本节将学习Altera QuartusⅡ操作指南，具体包括：（1）EDA软件的学习方法探讨；（2）初步认识Quartus Ⅱ：Quartus Ⅱ软件简介；Quartus Ⅱ的主界面；Quartus Ⅱ的主要操作；（2）QuartusⅡ的基本操作：文件及工程建立；工程实现的设置；工程编译及分析；工程仿真及分析；芯片管脚的锁定；编程下载及验证；（3）Quartus Ⅱ的综合操作：原理图绘制、工程仿真及分析；高版本Quartus Ⅱ的仿真：设置仿真工具、设置仿真平台、仿真类型选择、仿真类型选择。（4）Quartus Ⅱ的SOPC开发：SOPC开发的基础知识、SOPC的硬件开发、SOPC的软件开发、SOPC的开发体会。 2.5 EDA实验开发系统：本节将学习EDA实验开发系统的基本组成、基本原理与具体使用，具体包括：（1）通用EDA实验开发系统的工作原理和使用方法：EDA实验开发系统的基本组成；EDA实验开发系统的性能指标；通用EDA实验开发系统的工作原理；通用EDA实验开发系统的使用方法；（2）GW48系列EDA实验开发系统的使用方法：GW48系列EDA实验开发系统简介；GW48实验电路结构图；GW48系统结构图信号名与芯片引脚对照表；GW48系列EDA实验开发系统使用步骤；（3）通过4位十进制计数器电路CNT9999和8位二进制并行加法器ADDER8B等2个实例来学习EDA实验开发系统的具体使用。 第三章 EDA技术设计与应用精讲 硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，是EDA技术的学习重点，而VHDL则是IEEE的工业标准硬件描述语言，目前已成为事实上的通用硬件描述语言。本章将重点精讲VHDL程序设计的语法规定及设计思想、基本逻辑电路和状态机电路的设计。首先讲解VHDL的基本语法规则及使用注意事项，包括数据对象、数据类型、操作数、操作符等语言要素，赋值语句、IF条件语句、CASE选择语句、LOOP循环语句等常用顺序语句，PROCESS进程语句、并行赋值语句、元件例化语句、生成语句等常用并行语句，子程序、库和程序包以及VHDL描述风格。接着分类讲解基本组合逻辑电路、时序逻辑电路和存储器电路的VHDL实现的多种方法。最后讲解状态机电路的VHDL设计原理与实例。 3.1 VHDL概述：本节将学习VHDL概述，具体包括：常用硬件描述语言简介，VHDL程序设计优点，VHDL程序设计学习指南，VHDL程序设计约定。 3.2 VHDL语言要素：VHDL的语言要素，作为硬件描述语言的基本结构元素，主要有数据对象、数据类型和各类操作数及运算操作符。本节主要学习各种语言要素的定义、使用要点及使用实例，具体包括：（1）VHDL的文字规则：数字型文字、字符串型文字、位串型文字、标识符；（2）数据对象：变量(VARIABLE)、信号(SIGNAL)和常数(CONSTANT)；（3）VHDL数据类型：VHDL数据类型概述，VHDL的预定义数据类型，IEEE预定义标准逻辑位与矢量，其他预定义标准数据类型；用户自定义数据类型方式，各种自定义数据类型，数据类型的转换；（4）运算操作符及操作数：操作符及对应的操作数，操作符的使用说明，重载操作符。 3.3 VHDL顺序语句：根据语句执行顺序，VHDL语句可分为顺序语句和并行语句两种，顺序语句的执行顺序是与它们的书写顺序基本一致，并且只能出现在进程和子程序之中。本节主要学习常用VHDL顺序语句的定义、使用要点及使用实例，具体包括：（1）赋值语句：赋值语句功能，信号和变量赋值，赋值目标；（2）转向控制语句：IF条件语句、CASE选择语句、LOOP循环语句；（3）等待语句、返回语句和空操作语句；（4）属性描述与定义、文本文件操作、断言语句、报告语句、决断函数。 3.4 VHDL并行语句：并行语句结构是最具VHDL特色的，各种并行语句在结构体中的执行是同步进行的，或者说是并行运行的，其执行方式与书写的顺序无关。本节主要学习常用VHDL并行语句的定义、使用要点及使用实例，具体包括：（1）并行语句概述、进程语句；（2）并行信号赋值语句： 简单信号赋值语句、条件信号赋值语句、选择信号赋值语句；（3）元件例化语句：元件例化的作用、元件例化的种类、元件例化的语句格式、元件例化的端口映射、元件例化的应用举例；（4）生成语句：生成语句的作用、生成语句的格式、生成语句的组成、生成语句的使用、生成语句的应用。 3.5 子程序：为了更有效地完成重复性的算法设计工作，VHDL程序需要使用子程序。本节主要学习子程序的定义与使用，具体包括内容：（1）子程序概述：子程序的功能，子程序的种类，子程序的组成，子程序的调用；（2）函数的定义及使用：函数定义，重载函数，函数调用，应用用举例；（3）过程的定义及使用：过程定义，重载过程，过程调用，应用举例。 3.6 程序包：在VHDL程序中，程序包常用来封装属于多个设计单元分享的信息。本节主要学习程序包的定义和使用，具体包括：程序包的内容、程序包的定义，程序包的使用等内容。 3.7 VHDL描述风格：在VHDL中，用于具体描述设计实体的逻辑功能的描述方式(建模方法)称为描述风格。本节主要学习行为描述、数据流(寄存器传输)描述、结构描述等三种VHDL描述风格的概念及使用实例。 3.8 基本逻辑电路：本节我们将学习组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器电路等典型基本逻辑电路的设计，它是我们应用VHDL进行复杂数字系统设计的基础。具体内容包括：（1）译码器和编码器的设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展；（2）选择器和驱动电路的设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展；（3）触发器和寄存器的设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展；（4）计数器电路的设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展；（5）分频电路的设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展；（6）FIFO存储器电路设计：电路设计思路，VHDL程序设计，设计总结扩展。 3.9 状态机的VHDL设计：状态机是一类很重要的时序电路，是许多数字电路的核心部件。本节主要学习状态机的VHDL设计，具体包括：状态机的设计基础知识、一般状态机的VHDL设计、状态机的设计要点等内容。 第四章 EDA技术设计与应用提高 在掌握了EDA技术的基础知识、基本操作和基本设计后，学习EDA技术最有效的方法就是进行EDA技术的综合应用设计。本章将概括地讲解8位加法器的设计、8位乘法器的设计、PWM信号发生器的设计、CORDIC算法的应用设计、综合计时系统的设计、图像边缘检器的设计，具体包括系统设计思路，VHDL程序设计，仿真结果验证，逻辑综合分析等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。其中综合计时系统的设计、图像边缘检器的设计，每个均可作为时间为1周的课程设计来完成。 4.1 8位加法器的设计：本节将学习 8位加法器电路的设计，将重点讲解系统设计思路、VHDL程序设计、仿真结果验证、逻辑综合分析等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 4.2 8位乘法器的设计：本节将学习 8位乘法器的设计，将重点讲解系统设计思路、VHDL程序设计、仿真结果验证、逻辑综合分析等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 4.3 PWM信号发生器的设计：本节将学习PWM信号发生器的设计，将重点讲解系统设计思路、VHDL程序设计、仿真结果验证、硬件逻辑验证等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 4.4 CORDIC算法的应用设计：本节将学习CORDIC算法的应用设计，将重点讲解：（1）系统设计要求，CORDIC算法简介，CORDIC算法推导，CORDIC算法实现结构；（2）CORDIC算法编程思路，VHDL程序设计，仿真结果验证等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 4.5 综合计时系统的设计：本节将学习综合计时系统的应用设计，将重点讲解系统设计要求、系统设计思路、主要模块设计、程序设计与调试等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 4.6 图像边缘检器的设计：本节将学习图像边缘检器的应用设计，将重点讲解系统设计要求、系统总体设计、主要模块设计、程序设计与调试等内容，并通过学生的自学与实践来掌握整个实例的设计调试与硬件验证。 第五章 EDA技术设计与应用器件 大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体。本章以超大规模可编程逻辑器件的主流器件FPGA和CPLD为主要对象，首先概括地讲解可编程逻辑器件的发展历程、分类方法和常用标识的含义，其次讲解FPGA主流设计技术及发展趋势，接着讲解Lattice、Altera和Xilinx公司的典型FPGA和CPLD的性能参数，剖析一些器件的基本结构，以了解器件的有关性能指标和器件的有关组成结构，理解CPLD和FPGA的工作原理，感悟硬件设计的思想，最后概括地讲解了FPGA和CPLD的编程与配置的有关概念、硬件电路，FPGA/CPLD开发应用中的选择方法。 5.1 可编程逻辑器件概述：可编程逻辑器件PLD，是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件，而CPLD 和FPGA则是EDA技术中经常要用到的大规模可编程逻辑器件。本次课程我们将进行可编程逻辑器件概述的学习，具体包括PLD的发展进程、PLD的分类方法、常用CPLD 和FPGA标识的含义等内容。 5.2 FPGA主流设计技术及发展趋势：FPGA作为EDA技术用到的主要大规模可编程逻辑器件，其主流设计技术是什么，未来也将如何发展呢，这是我们非常关心的问题。本节主要学习FPGA主流设计技术及发展趋势，具体包括：（1）FPGA主流设计技术：可编程技术，逻辑模块结构，互联结构；（2）FPGA 前沿设计技术与未来发展趋势：深亚微米工艺下半导体设计所面临的挑战，基于传统设计技术的 FPGA 发展趋势，未来 FPGA 设计技术的关注热点。 5.3 Lattice公司的CPLD和FPGA：本节将通过一些实例来剖析Lattice公司的CPLD和FPGA器件，以了解器件的有关性能指标和器件的有关组成结构，理解CPLD和FPGA的工作原理，感悟硬件设计的思想，具体内容包括Lattice公司的CPLD和FPGA概述，ispMACH系列CPLD结构，EC/ECP系列FPGA结构等内容。 5.4 Altera公司的CPLD和FPGA：本节将通过一些实例来剖析Altera公司的CPLD和FPGA器件，以了解器件的有关性能指标和器件的有关组成结构，理解CPLD和FPGA的工作原理，感悟硬件设计的思想，具体内容包括Altera公司的CPLD和FPGA概述，MAX系列CPLD结构，CycloneⅢ系列FPGA结构等内容。 5.5 Xilinx公司的CPLD和FPGA：本节将通过一些实例来剖析Xilinx公司的CPLD和FPGA器件，以了解器件的有关性能指标和器件的有关组成结构，理解CPLD和FPGA的工作原理，感悟硬件设计的思想，具体内容包括Xilinx公司的CPLD和FPGA概述，XC9500系列CPLD结构，Spartan-3系列FPGA结构等内容。 5.6 CPLD和FPGA的编程配置：利用EDA技术进行系统设计，离不开CPLD和FPGA的编程与配置，那么什么是编程，什么是配置，自己又怎样设计编程和配置电路呢？本节主要学习CPLD和FPGA的编程与配置，具体包括CPLD和FPGA的编程配置，CPLD和FPGA 的下载接口，CPLD器件的编程电路，FPGA器件的配置电路等内容。 5.7 CPLD和FPGA的开发应用选择：用EDA技术进行应用系统设计，怎样进行FPGA和CPLD芯片的选择呢？本节主要学习CPLD和FPGA的开发应用选择，具体将从器件的逻辑资源量的选择，芯片速度的选择，器件功耗的选择，FPGA/CPLD的选择，FPGA和CPLD封装的选择，其他因素的选择等方面来学习CPLD和FPGA的开发应用选择。 第六章 EDA技术设计与应用实验 EDA技术实验是学习EDA技术非常重要的一个环节。EDA技术的有关概念要通过实践才能真正理解，有关操作要通过实践才能熟悉，有关技巧要通过实践才能积累。本章将讲解计数器电路、数字频率计、数字秒表、FIR滤波器等4个设计性和综合性的EDA技术实验的实验要点，并要求学生按照教材的有关要求和具体的实验条件，自行完成各个实验程序设计调试和硬件验证，并撰写实验报告。 6.1 实验一 计数器电路的设计：本节将重点讲解0～9999的计数器电路设计的实验要点，具体包括实验目的、实验内容、实验要求、实验设计、VHDL程序等内容，并要求学生按照教材的有关要求和具体的实验条件，自行完成各个实验程序设计调试和硬件验证，并撰写实验报告。 6.2 实验二 数字秒表的设计：我们将讲解数字秒表的设计的实验要点，具体包括实验目的、实验内容、实验设计、VHDL程序、仿真波形设置等内容，并要求学生按照教材的有关要求和具体的实验条件，自行完成各个实验程序设计调试和硬件验证，并撰写实验报告。 6.3 实验三 数字频率计的设计：本次课程我们将讲解数字频率计的设计的实验要点，具体包括实验目的、实验内容、实验设计、VHDL程序、仿真波形设置等内容，并要求学生按照教材的有关要求和具体的实验条件，自行完成各个实验程序设计调试和硬件验证，并撰写实验报告。 6.4 实验四 FIR滤波器的设计：本次课程我们将讲解数字秒表的设计实验的要点，具体包括实验目的、实验内容、实验设计、VHDL程序、仿真波形分析等内容，并要求学生按照教材的有关要求和具体的实验条件，自行完成各个实验程序设计调试和硬件验证，并撰写实验报告。