1、EDA 技术实用教程 第一章 1-1 EDA 技术与 ASIC 设计和 FPGA 开发有什么关系 ? 答： 利用 EDA 技术 进行 电子系统设计 的最后目标是完成 专用集成电路 ASIC 的设计和实现 ； FPGA 和 CPLD 是实现这一途径的 主流器件 。 FPGA 和 CPLD 通常也被称为 可编程专用 IC，或 可编程 ASIC。 FPGA 和 CPLD 的应用是 EDA技术有机融合 软硬件电子设计技术、 SoC（片上系统） 和 ASIC 设计，以及对自动设计与自动实现最典型的诠释。 1-2 与软件描述语言相比， VHDL 有什么特点 ? 答： 编译器将软件程序翻译成基 于某种特定
2、CPU 的机器代码，这种代码仅限于这种 CPU 而不能移植，并且机器代码不代表硬件结构，更不能改变 CPU 的硬件结构，只 能被动地为其特定的硬件电路结构所利用。 综合器 将 VHDL程序转化 的 目标是底 层的电路结构 网表文件 ，这种满足 VHDL 设计程序功能描述的电路结构，不依赖于任何特定硬件环境；具有相对独立性。综合器在将 VHDL(硬件描述语言 )表达的电路功能转化成具体的电路结构网表过程中，具有明显的 能动性和创造性 ，它不是机械的一一对应式的“翻译”，而是根据设计库、工艺库以及预先设置的各类约束条件，选择最优的方式完成电 路结构的设计。 l-3 什么是综合 ?有哪些类型 ?综合
3、在电子设计自动化中的地位是什么 ? 什么是综合 ? 答：在电子设计领域中综合的概念可以表示为：将 用行为和功能层次表达的电子系统 转换为 低层次 的便于 具体实现的模块组合装配 的过程。 有哪些类型 ? 答： (1)从自然语言转换到 VHDL 语言算法表示，即 自然语言综合 。 (2)从算法表示转换到寄存器传输级 (RegisterTransport Level， RTL)，即从行为 域到结构域的综合，即 行为综合 。 (3)从 RTL 级表示转换到逻辑门 (包括触发器 )的表示，即 逻辑综合 。 (4)从逻辑门表示转换到版图表示 (ASIC 设计 )，或转换到 FPGA 的配置网表文件，可称
4、为 版图综合或结构综合 。 综合在电子设计自动化中的地位是什么 ? 答：是核心地位（见图 1-3）。 综合器具有更复杂的工作环境，综合器在接受 VHDL 程序并准备对其综合前，必须获得与最终实现设计电路硬件特征相关的 工艺库信息 ，以及获得优化综合的 诸多约束条件信息 ；根据 工艺库和约束条件信息 ，将 VHDL 程序转化成电路实现的相关信息 。 1-4 在 EDA 技术中，自顶向下的设计方法的重要意义是什么 ? 答： 在 EDA技术应用中， 自 顶向 下 的设计方法，就是 在整个设计流程中各设 计 环节 逐 步求精 的过程。 1-5 IP 在 EDA 技术的 应用 和发展中的意义是什么 ?
5、答： IP核具有规范的接口协议 ， 良好的 可移植 与 可测试性 ，为系统开发提供了 可靠的保证 。 第二章 2-1 叙述 EDA 的 FPGA/CPLD 设计流程 。 P1316 答： 1.设计输入 (原理图 /HDL 文本编辑 )； 2.综合 ； 3.适配 ； 4.时序仿真与功能仿真 ； 5.编程下 载 ； 6.硬件测试 。 2-2 IP 是什么 ?IP 与 EDA 技术的关系是什么 ? P2426 IP 是什么 ? 答： IP 是知识产权核或知识产权模块， 用于 ASIC 或 FPGA/CPLD 中的预先设计好的电路功能模块 。 IP与 EDA 技术的关系是什么 ? 答： IP在 EDA
6、 技术开发中具有十分重要的地 位；与 EDA 技术的关系 分有 软 IP、固 IP、 硬 IP： 软 IP 是用 VHDL 等硬件描述语言描述的功能块 ，并不涉及用什么具体电路元 件实现这些功能； 软 IP通常是以硬件描述语言 HDL 源文件的形式出现 。 固 IP 是完成了综合的功能块 ，具 有较大的设计深度，以 网表文件的形式提交客户 使用 。 硬 IP 提供设计的最终阶段产品 ：掩模。 2-3 叙述 ASIC 的设计方法。 P1819 答： ASIC 设计方法 ,按版图结构及制造方法分有 半定制 (Semi-custom)和 全定制 (Full-custom)两种实现方法 。 全定制方法
7、是一种 基于晶体管 级的， 手工 设计版图的制造方法。 半定制法是一种 约束性 设计方式，约束的目的是简化设计，缩短设计周期，降低设 计成本，提高设计正确率。半定制法按逻辑实现的方式不同，可再分为 门阵列法 、 标准单元法 和 可编程逻辑器件法 。 2-4 FPGA/CPLD 在 ASIC 设计中有什么用途 ? P16,18 答： FPGA/CPLD 在 ASIC 设计中 ， 属于 可编程 ASIC 的 逻辑器件 ；使 设计效率大为提高，上市的 时间大为缩短。 2-5 简述在基于 FPGA/CPLD 的 EDA 设计流程中所涉及的 EDA 工 具 ，及其在整个流程中的作用。 P1923 答：
8、基于 FPGA/CPLD 的 EDA 设计流程中所涉及的 EDA 工 具 有： 设计输入编辑器 （作用： 接受 不同的设计输入表达方式，如 原理图输入方式 、 状态图输入方式 、 波形输入方式 以及 HDL 的文本输入方 式 。）； HDL 综合器 （作用： HDL 综合器 根据工艺库 和 约束条件信息 ，将 设计输入编辑器 提供的信息转 化为 目标器件硬件结构细节 的信息 ，并在 数字电路设计技术、化简优化算法以 及计算机软件等复杂结体进行优化 处理）； 仿真器 （作用： 行为模型的表达 、 电子系统的建模 、 逻 辑电路 的 验证 及 门级系统的测试 ）； 适配器 （作用： 完成目标系统在
9、器件上的 布局 和 布线 ）；下载器 （作用： 把设计 结 果信息下 载到对应的实际器件 ，实现硬件设计 ）。 第三章 3-1 OLMC（输出逻辑宏单元） 有何功能 ?说明 GAL 是怎样实现可编程组合电路与时序电路的。 P3436 OLMC 有何功能 ? 答： OLMC 单元设有多种组态 ，可配置 成 专用组合输出 、 专用输入 、 组合输出双向口 、 寄存器输出 、 寄存器输出双向口 等。 说明 GAL 是怎样实现可编程组合电路与时序电路的 ? 答 ： GAL（ 通用阵列逻辑器件 ） 是 通过对其中的 OLMC（ 输出 逻辑宏单元）的编程和 三种模式配置 （ 寄存器模式 、 复合模式 、
10、简单模式 ），实现 组合电路 与 时序电路 设计的。 3-2 什么是基于乘积项的可编程逻辑结构 ? P3334， 40 答： GAL、 CPLD 之类都是 基于乘积项 的 可编程 结构 ；即包含有 可编程与阵列 和 固定的或阵列 的 PAL（可编程阵列逻辑） 器件构成。 3-3 什么是基于查找表的可编程逻辑结构 ? P4041 答： FPGA（现场可编程门阵列） 是 基于查找表 的 可编程逻辑结构 。 3-4 FPGA 系列器件中的 LAB 有何作用 ? P4345 答： FPGA（ Cyclone/Cyclone II） 系列器件 主要由 逻辑阵列块 LAB、 嵌入式存储器块 （ EAB）
11、、 I/O 单元 、 嵌入式硬件乘法器 和 PLL 等模块构成 ；其 中 LAB（ 逻辑阵列块 ） 由一系列相邻的 LE（逻辑单元） 构成的 ； FPGA 可编程资源主要来自逻辑阵列块 LAB。 3-5 与传统的测试技术相比，边界扫描技术有何优点 ? P4750 答： 使用 BST（ 边界扫描 测试 ） 规范测试 ， 不必使 用物理探针 ，可在器件正常工作时在系统 捕获测量的功能数据 。克服传统的外探针测试法和“针床”夹具测 试法来无法对 IC 内部节点无法测试的难题。 3-6 解释编程与配置这两个概念。 P58 答：编程： 基于 电可擦除存储单元的 EEPROM 或 Flash 技术 。 C
12、PLD 一股使用此技术进行 编程。 CPLD 被编程后改变了电可擦除存储单元中的信息， 掉电后可保存 。电可擦除编程工艺的优点是编程后 信息不会因掉电而丢失 ，但 编程次数 有限 ， 编程的速度不快 。 配置： 基于 SRAM 查找表的编程单元 。编程 信息是保存在 SRAM 中 的， SRAM 在 掉电后编程信息立即丢失 ，在 下次上电后，还需要重新载入编程信息 。 大部分 FPGA 采用该种 编程 工艺。 该 类器件 的编程一般称为配置 。对于SRAM 型 FPGA 来说， 配置次数无限 ，且 速度快 ； 在 加电时可随 时更改逻辑 ；下载信息的保密性也不如 电可擦除 的编程。 3-7 请
13、参阅相关资料，并回答问题：按本章给出的归类方式，将基于乘积项的可编程逻辑结构的 PLD 器件归类为 CPLD；将基 于查 找 表 的 可 编程逻辑结构的 PLD 器什归类为 FPGA，那么， APEX 系列属于什么类型 PLD 器件 ? MAX II 系列又属于什么类型的 PLD 器 件 ?为什么 ? P5456 答： APEX(Advanced Logic Element Matrix)系列 属于 FPGA 类型 PLD 器件 ； 编程信息存于 SRAM 中 。 MAX II 系列属于 CPLD 类型的 PLD 器 件 ； 编程信息存于 EEPROM 中 。 第四章 4-1：画出与下例实体描
14、述对应的原理图符号元件： ENTITY buf3s IS - 实体 1：三态缓冲器 PORT (input : IN STD_LOGIC ; - 输入端 enable : IN STD_LOGIC ; - 使能端 output : OUT STD_LOGIC ) ; - 输出端 END buf3x ; ENTITY mux21 IS -实体 2： 2 选 1 多路选择器 PORT (in0, in1, sel : IN STD_LOGIC; output : OUT STD_LOGIC); 4-1.答案 4-2. 图 3-30所示的是 4选 1多路选择器，试分别用 IF_THEN语句和 CAS
15、E语句的表达方式写出此电路的 VHDL程序。选择控制的信号 s1 和 s0 的数据类型为 STD_LOGIC_VECTOR；当 s1=0， s0=0； s1=0， s0=1； s1=1， s0=0和 s1=1， s0=1分别执行 y y y y yNULL; END CASE; END PROCESS; END ART; 4-3. 图 3-31 所示的是双 2 选 1 多路选择器构成的电路 MUXK，对于其中 MUX21A，当 s=0和 1时，分别有 y diff diff diff diff NULL; END CASE; END PROCESS; END ARCHITECTURE ONE;
16、 顶层文件： f_subber.VHD 实现一位全减器 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY f_subber IS PORT(x,y,sub_in:IN STD_LOGIC; diffr,sub_out:OUT STD_LOGIC); END ENTITY f_subber; ARCHITECTURE ONE OF f_subber IS COMPONENT h_subber PORT(x,y:IN STD_LOGIC; diff,S_out:OUT STD_LOG
17、IC); END COMPONENT; COMPONENT or2a PORT(a,b:IN STD_LOGIC; c:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; SIGNAL d,e,f: STD_LOGIC; BEGIN u1: h_subber PORT MAP(x=x,y=y,diff=d,s_out=e); u2: h_subber PORT MAP(x=d,y=sub_in,diff=diffr,s_out=f); u3: or2a PORT MAP(a=f,b=e,c=sub_out); END ARCHITECTURE ONE; END ARCHITECTUR
18、E ART; 4-6.根据下图，写出顶层文件 MX3256.VHD 的 VHDL 设计文件。 4-6.答案 MAX3256 顶层文件 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY MAX3256 IS PORT (INA,INB,INCK: IN STD_LOGIC; INC: IN STD_LOGIC; E,OUT:OUT STD_LOGIC); END ENTITY MAX3256; ARCHITECTURE ONE OF MAX3256 IS COMPONENT LK3
19、5 -调用 LK35声明语句 PORT(A1,A2:IN STD_LOGIC; CLK:IN STD_LOGIC; Q1,Q2:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; COMPONENT D -调用 D 触发器声明语句 PORT(D,C:IN STD_LOGIC; CLK:IN STD_LOGIC; Q:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; COMPONENT MUX21-调用二选一选择器声明语句 PORT(B,A:IN STD_LOGIC; S:IN STD_LOGIC; C:OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; SIGN
20、AL AA,BB,CC,DD: STD_LOGIC; BEGIN u1: LK35 PORT MAP(A1=INA,A2=INB,CLK=INCK, Q1=AA,Q2=BB); u2: D PORT MAP(D=BB;CLK=INCK,C=INC,Q=CC); u3: LK35 PORT MAP (A1=BB,A2=CC,CLK=INCK, Q1=DD,Q2=OUT1)； u4: MUX21 PORT MAP (B=AA,A=DD,S=BB,C=E); END ARCHITECTURE ONE; 设计含有异步清零和计数使能的 16 位二进制加减可控计数器。 4-7.答案： LIBRARY IE
21、EE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CNT16 IS PORT(CLK,RST,EN:IN STD_LOGIC; CHOOSE:IN BIT; SETDATA:BUFFER INTEGER RANCE 65535 DOWNTO 0; COUT: BUFFER INTEGER RANCE 65535 DOWNTO 0); END CNT16; ARCHITECTURE ONE OF CNT16 IS BEGIN PROCESS(CLK,RST,SDATA) VARIABLE QI:STD
22、_LOGIC_VECTOR(65535 DOWNTO 0); BEGIN IF RST=1 THEN -计数器异步复位 QI:=(OTHERS=0); ELSIF SET=1 THEN -计数器一步置位 QI:=SETDATA; ELSIF CLKEVENT AND CLK=1 THEN -检测时钟上升沿 IF EN=1 THEN 检测是否允许计数 IF CHOOSE=1 THEN -选择加法计数 QI:=QI+1; -计数器加一 ELSE QI=QI-1; -计数器加一 END IF; END IF; END IF; COUT=QI;-将计数值向端口输出 END PROCESS; END O
23、NE; 第五章 5-1 归纳利用 Quartus II 进行 VHDL 文本输入设计的 流程 ： 从文件输入一直到 SignalTap II 测试。 P95P115 答： 1 建立工作库文件夹和编辑设计文件 ； 2 创建工程 ； 3 编译前设置 ； 4 全程编译 ； 5 时序仿真 ； 6 引脚锁定 ； 7 配置文件下载 ； 8 打开 SignalTap II 编辑窗口 ； 9 调入 SignalTap II 的 待测信号 ； 10 SignalTap II参数设置 ； 11 SignalTap II 参数设置文件存盘 ； 12 带有 SignalTap II 测试 信息的 编译下载 ； 13 启动 SignalTap II 进行采样与分析 ； 14 SignalTap II 的其他设置和控制方法 。 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10
