1、 宁夏大学新华学院 课程论文（设计 ） 论文题目： 序列检测器设计 姓 名： 于俞 专 业： 电子信息工程 指导教师： 马玉韬 提交日期： 2013年 12月 摘 要 在当下时代，随着电子技术的蓬勃发展，特别是电子设计自动化 (EDA)技术和可编程逻辑器件进行通信系统设计的技术已经应用的越来越广泛。硬件描述语言的出现也使得我们在设计系统工程时越来越便利，解决了传统电路原理图设计系统工程的繁琐。此课题提出了一种基于复杂可编程逻辑器件（ CPLD）通过 EDA技术设计、仿真、实现序列检测器。从而让大家熟悉 Verilog 硬件描述语言的运用，详细了解在系统可编程器件的原理及其应用方法，掌握在系统可
2、编程开发软件。 关键词 : EDA 技术； CPLD ； Verilog 硬 件 描 述 语 言 ； 仿 真目 录 第 一 章 EDA 技术 . 1 1.1 EDA 技术简介 . 1 1.2 EDA 技术概念及特征 . 3 1.3 EDA 技术应用及发展趋势 . 6 第 二 章 复杂可编程逻辑器件 CPLD . 7 2.1 ISP 技术简介 . 7 2.2 CPLD 器件原理及优点 . 9 第三章 Verilog HDL 硬件描述语言 . 11 3.1 Verilog HDL 简介 . 11 3.2 Verilog HDL 语法及语句 . 13 3.3 Verilog 建模 . 15 第 四
3、章 序列检测器的设计与实现 . 17 5.1 序列检测器简介 . 19 第五 章 设计中遇到的问题总结及体会 . 19 参考文献 . 20 致 谢 . 21 1 第一章 EDA技术 EDA 技术简介 什么是 EDA 技术？ EDA 即电子设计自动化（ Electronic Design Automation）的缩写。它是以大规模可编程逻辑器件为设计载体、以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式、以计算机及大规模可编程逻辑器件的开发软件以及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门技术，它也是一门正在高速发展的新型技术。 EDA 技术就是把计算机
4、作为设计工具，借助于 EDA 软件平台，用硬件描述语言 VHDL 完成设计文件，它可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线以及逻辑仿真。它可以完成对特定的目标芯片 的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，从而最终形成集成电子系统或专用集成芯片。 通过使用 EDA 工具，设计者可以从概念、算法、协议等多方面着手设计电子系统，其中大量的工作都可以交给计算机来完成，并且可以在计算机上自动化处理完成电子产品的电路设计、性能分析以至 IC版图或 PCB 版图的绘制。这所有的一切都极大的改变了传统的设计方法以及设计观念，促进了 EDA 技术的发展。 目前对于 EDA 技术的概念或范
5、畴应用的很广。不光在机械制造、电子通信、航空航天领域有应用，也同样应用于化工、矿产、生物制药、军事等各个领域。目前许多大 的公司、企事业单位以及科研部门都已经广泛的使用 EDA 技术。 EDA 设计方法 EDA 技术的设计方法大致划分如下： 1） 、前端设计、后端设计、系统建模； 2） 、 IP 复用； 3） 、前端设计； 4） 、系统描述 即：建立系统的数学模型；功能描述 即：描述系统的行为以及各个子模块之间的数据流图； 5） 、逻辑设计 即：将系统功能致以结构化，其通常表现形式为：文本、原理图、逻辑图、布尔表达式； 6） 、仿真 仿真的作用就是主要进行对系统功能的正确性和时序性的验证。仿真
6、主要包括功能仿真和时序仿真。 EDA 技术与传统技术的区别 EDA 技术是基 于传统技术设计出的一种新型技术，那么它又和传统技术有什么区别呢？下面，通过表格来给大家进行描述。 传统的技术有很多缺点，例如： 设计周期长，灵活性差，效率低；设计依赖于设计者的经验；到后期仿真不易实现；调试复杂容易出错；设计依赖于现有的市场通用元器件。芯片种类多，数 量大，受市场的限制；体积大。 然而相对于传统技术来说， EDA 技术却更加简便，有很多优点： 设计效率高、周期短； 设计质量高、成本低；特 点 传统方法 EDA 方法 采用器件 通用型器件 PLD 设计对象 电路板 芯片 设计方法 自底向上 自顶向下 仿
7、真时期 系统硬件设计后期 系统硬件设计早期 主要设计文件 电路原理图 HDL语言编写的程序 3 更能够充分发挥设计者的创造性； 设计成果的重用大大的节省了劳动力。 传统的数字系统设计只能在电路板上进行设计，是一种搭积木式的方式，使复杂电路的设计、调试十分困难；如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便，对于集成电路而言，设计实现过程与具体生产工艺直接相关，因此可移植性差，只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实现，因而开发产品的周期长。而 EDA 技术则有很大不同， 采用可编程器件，通过设计芯片来实现系统功能。采用硬件描述语言作为设计输入和库的引入，由设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路
8、板设计完成的大部分工作改在芯片的设计中进行。由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，有效增强了设计的灵活性，提高了工作的效率。并且可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高了系统的性能和可靠性。能全方位地利用计算机自动设计、调试和仿真。 EDA 技术的范畴 EDA 技术从广义的角度上包含了： 1、半导体工艺自动化； 2、可编程设计自动化； 3、电子系 统设计自动化； 4、印刷电路板设计自动化； 5、仿真与测试、故障诊断自动化； 6、形式验证自动化。 其范畴 可以归纳为四个方面，具体如下： PCB 设计； 电路设计 其中包括：模拟电路、数字电路、混合电路；
9、 PLD 设计 其中包括：设计输入、逻辑综合、仿真、编程下载； IC 版设计。 EDA 技术的概念及特征 EDA 技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已经有三十多年的历程。其发展大致可以分为三个阶段： 第一代： CAD 即 Computer Aided Design（计算机辅助设计），约在 20世纪 70 年代时，出现了可编程技术以及相应的器件，人们开始利用计算机取代手工劳动，使用技术及器件来辅助进行集成电路版图的编辑、 PCB 布局布线等工作。在当时 EDA 工具的供应商只有几家，其产品主要面向 PCB 布线设计，例如： Tango 软件等。 第二代： CAE 即 C
10、omputer Aided Engineering（计算机辅助工程），约在 20 世纪 80年代时， CPLD（复杂可编程逻辑器件）在人们的设计工作中开始应用，当时 Mentor 公司、 Logic System 公司进入 EDA 市场，它们生产出提供带有电路图编辑工具和逻辑模拟工具 的 EDA 软件，这些工具软件主要应用于电路设计没有完成之前的功能检验问题，一般是以数字电路的分析和测试工具为代表。在各种硬件描述语言的应用和标准化方面取得了重大的进步。 第三代：在 20 世纪 90 年代以后，通过时代科技的进步发展，人们的工艺水平已经达到深亚微米级，同时硬件描述语言的便准化也得到了进一步确立，
11、这时的 EDA 工具种类齐全，能够提供人们在系统设计时全部的工具需求，兼容各种硬件实现方案，支持标准硬件描述语言，能完成逻辑综合、设计优化、行为仿真、参数分析和测试工具等。从此，复杂电子系统的设计进入了 SOC 和 SOPC时代。 EDA 技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。利用 EDA 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量的工作可以通过计算机来完成，并且可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或者PCB 版图的整个过程均在计算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的“自顶向下”的全新设计方法： 这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进
12、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， 在系统一级进行驶证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。 设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和 EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。随着设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的。这既有利于早期发现结构设计上的错误，从而避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。随着现代电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般的中小规模集成电路组合已不能满足要求，电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规
13、模、超大规模芯片，具 有高速度、高集成度、低功耗的可编程器件已蓬勃发展起来。 “自顶向下”及“自底向上”设计方法介绍 1、 “自顶向下”的设计方法是指从系统的总体要求出发，按照一定的标准将整个系统划分为若干个子系统，然后再将各个子系统划分成若干个功能模块然后针对各个功能模块进行逻辑、电路设计，最后完成系统硬件的整体设计。系 统 子系统 功 能 模 块 逻辑、电路 5 “顶”，即系统行为模型，也就是系统的顶层器件；“向下”，即系统逐层分为子系统（元件和子元件）。 一、 “ 自顶向下“的系统设计方法步骤可大致概括如下： 1) 采用完全独立于目标芯片的物理结构的硬件描述语言（ HDL）对其系统的功能
14、以及行为进行定义和描述。 2) 完成功能确认采用了多层次的仿真。 3) 通过具体目标芯片的网表文件进行功能描述。 4) 逻辑映射，布线布局。 5) 为确保系统的性能，利用仿真文件进行功能以及时序的验证。 二、 EDA 技术主要采用“自顶向下”设计方法，其方法的优点为： 它是一种模块化的设计方法，其设计方式由上到下，由粗略到详细，比较符合人们的习惯的思维逻辑。 因为其高层的设计与器件无关，所以设计可以完全独立于目标器件的结构，使设计者设计时不受芯片结构的约束，可以着重在适应市场的方向设计产品，避免了传统设计方法中再设计 的风险，缩短了产品上市的周期。 由于系统采用硬件描述语言进行设计，可以完全独
15、立于目标器件的结构，因此方便了设计在各种可编程器件或者集成电路工艺之间移植。 此设计适合多个设计者同时进行。随着科学技术的发展许多设计很难由一个设计者完成，必须通过多个设计者分工协作才能完成。因此，采用自顶向下的设计方法方便多个设计者设计同时进行，对设计的任务进行合理的分配，用系统工程的方法对设计进行管理。 2、“自底向上”的设计方法是指在整体划分的基础上，先进行单元的设计，然后再以单元设计为基础逐级向上完成功能模块以及子系统的设计 ，直到系统硬件的整体设计的最后完成。其框图如下：6 此种设计方法，使用于“自顶向下”设计方法之前 10年，它是一种传统的设计方法，此方法如同一砖一瓦建造金字塔一般
16、，不仅成本高、效率低而且容易出错，因此逐渐被代替。 EDA 技术应用及发展趋势 随着科技的进步， EDA 技术发展迅猛，逐渐在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。 一、在教学方面：几乎所有的理工科类，尤其是电子信息类的高等学校均开设了有关 EDA 的课程。其目的主要是为了让学生了解 EDA 的基本原理以及基本的概念、掌握使用 VHDL 硬件描述语言描述系统逻辑的方法、使用 EDA 工具进行电子电路课程的模拟仿真实验。例如：实验教学、毕业设计、课程设计、设计竞赛等都可以借助 CPLD/FPGA 器件。使实验设备或设计出的电子系统具有高可靠性，又经济、快速、容易实现、便于修改，同
17、时也可以大大提高学生的实践、创新以及计算机应用的能力。 二、在科研方面：设计者主要利用电路仿真工具进行电路设计与仿真，利用虚拟仪器进行产品调试。将 CPLD/FPGA 器件开发应用到仪器设备中，CPLD/FPGA可直接应用于小批量的产品 芯片或作为大批量产品的芯片前期开发。传统机电产品的升级换代和技术改造， CPLD/FPGA 的应用可以提高传统产品的性能，缩小传统产品体积，提高技术含量和产品附加值。作为高等院校有关专业的学生和广大电子工程师了解和掌握这一先进技术是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有掌握了 EDA 技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能生存发展
18、。随着科技的进步，电子产品的更新日新月异， EDA 技术作为电子产品开发研制的源动力，已经成为了现代电子设计的核心。所以发展 EDA 技术将是电子设计领域和电子产业界 的一场重大的技术革命，同时也对电子类课程的教学和科研提出了更深更高的要求。 三、在产品设计与制造方面 ;从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等， EDA 技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在 PCB 的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、制造过程等有着重要作用。可以说 EDA 技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。 在进入 21 世纪后，电子技术全方位纳入 EDA 领域
19、， EDA 使得电子领域各系 统 子 系 统 功能模块 逻 辑 电 路 7 学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现为以下几个方面： 、使电子设计成果以 自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能； 、基于 EDA 工具的 ASIC 设计标准单元已涵盖大规模电子系统及 IP核模块； 、软硬件 IP 核在电子行业的产业领域、技术领域或者设计应用领域得到进一步确认； 、 SOC 高效低成本设计技术的成熟。 随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。传统“固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台，而基于芯片的设计方法正成为现代电子
20、系统设计的主流。 复杂可编程逻辑器件 CPLD ISP 技术简介 ISP 即 In-System Programming（在系统可编程），它是由 Lattice 公司首先对设计电路和系统这一问题提出来的一种最新的技术。 Lattice 是 ISP（在线编程）技术的发明者，据说它最早是由我们中国人创办的，它的出现大大的促进了 PLD 产品的发展，为用户带来的巨大的时间效益和经济效益，是可编程技术的一个实质性的飞跃，是 PLD 设计技术的一次新的革命。 ISP 在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以通过使用 ISP 的方式擦除或者再编程。 ISP 技术 使我们在进行产品的设计与制造的过程中的每一个环节，以至销售后，对器件、电路板或者整个电子系统的逻辑和模拟功能可以随时的进行组态或者重组。换句话来说， ISP 技术能够让我们拥有在自己设计的开发系统或者电路板上重新构建电路与系统并对可编程器件进行编程或者反复改写的能力。 一、 ISP 工作原理 ISP 的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过 SPI 或其
