具体描述
基本信息
书名：EDA技术教程
定价：25.00元
作者：梁勇,王留奎著
出版社：人民邮电出版社
出版日期：2010-05-01
ISBN：9787115223395
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.300kg
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内容提要
本书从实际应用的角度出发，全面系统地介绍了EDA技术和硬件描述语言VHDL，将VHDL的基础知识、编程技巧、实用方法与实际工程开发技术在EDA软件设计平台上很好地结合起来，使读者能够通过本书的学习迅速了解并掌握EDA技术的基本理论和工程开发实用技术，并为后续的深入学习和发展打下坚实的理论与实践基础。
本书部分主要介绍了可编程逻辑器件和EDA设计技术的基本知识，然后讨论了可编程逻辑器件的基本原理和Altera公司的主流CPLD和FPGA器件。第二部分主要介绍了EDA设计技术中的VHDL设计方法，然后重点讨论了Altera公司的EDA开发工具QuartusⅡ7.2。第三部分通过大量的应用实例来讨论可编程逻辑器件和EDA设计技术的结合应用。本书内容丰富、技术新颖、视点独特、实用性很强，可以使读者快速、全面地掌握可编程逻辑器件和EDA设计技术。书中列举的VHDL示例，都经编译通过或经硬件测试。
本书主要面向高等院校本、专科EDA技术和VHDL语言基础课，推荐作为微电子、电子工程、通信、自动化、计算机应用技术、仪器仪表等专业的授课教材或主要参考书，同时也可以作为从事电子系统设计的设计工程师和科研人员的技术参考书。
目录
作者介绍
文摘
序言
EDA技术教程 前言 在当今信息技术飞速发展的时代，电子设计自动化（EDA）已成为集成电路（IC）设计、系统级封装（SiP）以及复杂电子系统开发不可或缺的核心技术。EDA工具的应用，极大地提高了电子产品设计的效率、质量与可靠性，缩短了研发周期，降低了开发成本。从最初的逻辑电路仿真，到如今涵盖高层次综合、物理设计、验证以及先进工艺支持的全方位解决方案，EDA技术的发展深刻地影响着从消费电子到国防军工、从人工智能到物联网等各个领域。 本书旨在为读者提供一个系统、深入的EDA技术学习体验。我们并非仅仅罗列枯燥的软件操作步骤，而是力求从EDA技术的核心理念、设计流程、关键工具原理出发，逐步引导读者理解其背后的逻辑与方法。通过对EDA技术发展脉络的梳理，读者可以更好地把握当前的技术热点与未来发展趋势。本书将涵盖从概念验证到最终芯片流片的全生命周期设计流程，为读者构建一个完整的技术认知框架。 第一部分：EDA技术概述与发展历程 1. EDA技术的核心概念与价值 何为EDA？ 电子设计自动化（Electronic Design Automation），顾名思义，是指利用计算机软件工具来辅助和自动化电子系统的设计过程。它涵盖了从系统级需求分析、架构设计，到逻辑设计、物理实现，直至最终制造和测试的各个环节。 EDA为何如此重要？ 效率提升： 自动化设计流程，大幅缩短人工设计所需时间，使工程师能够专注于更具创造性和决策性的任务。 复杂性管理： 随着集成电路的晶体管数量呈指数级增长，手动设计已变得不可能。EDA工具能够处理海量的设计数据和复杂的约束条件。 质量与可靠性： 通过仿真、静态时序分析（STA）、功耗分析等验证手段，EDA工具能够提前发现并修复设计中的错误，显著提高芯片的性能、功耗和可靠性。 成本降低： 减少流片次数，优化设计，避免不必要的返工，从而降低开发成本。 创新驱动： EDA工具的进步，为新材料、新工艺、新架构的应用提供了可能，推动了电子技术的不断革新。 2. EDA技术的发展历程 萌芽期（20世纪60-70年代）： 早期主要集中在绘制电路图、布线等简单自动化任务，以PC（Physical Connection）和PL（Placement and Routing）工具为主。 发展期（20世纪80年代）： 逻辑综合（Logic Synthesis）的出现是里程碑式的事件，使得从行为级描述到门级网表的设计自动化成为可能。HDL（Hardware Description Language，如Verilog、VHDL）开始普及。 成熟期（20世纪90年代至今）： 随着半导体工艺的不断进步（从微米级到纳米级），EDA工具的功能日益强大和全面。 高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）： 从C/C++等高级语言直接生成RTL（Register Transfer Level）代码，进一步提升抽象层次。 物理设计自动化（Physical Design Automation）： 包括布局（Placement）、布线（Routing）、时钟树综合（CTS, Clock Tree Synthesis）、功耗优化、信号完整性分析（SI, Signal Integrity）、电源完整性分析（PI, Power Integrity）等。 形式验证（Formal Verification）： 不依赖于测试向量，通过数学方法证明设计的正确性。 混合信号设计（Mixed-Signal Design）： 对模拟、数字和混合信号电路进行集成设计和验证。 先进工艺支持： 针对先进工艺节点（如7nm, 5nm, 3nm）的特殊设计规则（DRC, Design Rule Check）、寄生参数提取（Parasitic Extraction）、版图着色（Coloring）等提供支持。 IP（Intellectual Property）复用： 预先设计好的功能模块（IP核）的集成和验证。 芯片级验证（Chip-Level Verification）： 更加全面的系统级验证。 3. EDA工具的主要类型与供应商 逻辑综合工具： Synopsys Design Compiler, Cadence Genus, Mentor Graphics Oasys。 布局布线工具： Synopsys IC Compiler II, Cadence Innovus, Mentor Graphics Olympus-SoC。 静态时序分析工具： Synopsys PrimeTime, Cadence Tempus, Mentor Graphics Ironhide。 形式验证工具： Synopsys Formality, Cadence JasperGold, Mentor Graphics Questa Formal。 仿真工具： Synopsys VCS, Cadence Xcelium, Mentor Graphics QuestaSim。 版图设计与验证工具： Cadence Virtuoso, Synopsys Custom Compiler, Mentor Graphics Calibre。 高层次综合工具： Synopsys Synplify, Cadence Stratus, Xilinx Vitis HLS。 主要EDA供应商： Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）、Siemens EDA（西门子EDA，原Mentor Graphics，门罗电子）。 第二部分：集成电路设计流程与EDA工具的应用 1. 芯片设计的一般流程 系统级设计（System Design）： 定义产品需求，进行系统架构设计，划分硬件/软件功能。 行为级建模（Behavioral Modeling）： 使用HDL语言描述系统或模块的功能，进行高层次仿真。 逻辑设计（Logic Design）： 将行为级描述转换为RTL（Register Transfer Level）代码，描述数据流和控制流。 逻辑综合（Logic Synthesis）： 将RTL代码映射到目标工艺库的门级网表。 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 检查电路的时序是否满足要求，包括建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）。 功耗分析（Power Analysis）： 估算和分析芯片的动态和静态功耗。 物理设计（Physical Design）： 布局（Placement）： 为门级网表中的逻辑单元（如AND门、OR门、触发器）分配物理位置。 时钟树综合（Clock Tree Synthesis, CTS）： 设计和优化时钟网络的布线，确保时钟信号的同步到达。 布线（Routing）： 连接逻辑单元之间的连线，使用金属层实现互联。 版图后提取（Post-Layout Extraction）： 提取布线后的寄生参数（电阻、电容），用于更精确的时序和功耗分析。 版图验证（Layout Verification）： 设计规则检查（DRC, Design Rule Check）： 确保版图符合制造工艺的要求。 电器连接检查（LVS, Layout Versus Schematic）： 验证版图与逻辑网表的一致性。 寄生参数提取（Parasitic Extraction）： 提取版图中的电阻和电容信息。 物理验证（Physical Verification）： 综合DRC, LVS, ERC（Electrical Rule Check）等。 功耗和时序优化： 基于物理实现结果进行二次优化。 流片（Tape-out）： 将最终的GDSII文件提交给晶圆厂制造。 测试（Testing）： 芯片制造完成后，进行功能和性能测试。 2. HDL语言在EDA设计中的作用 Verilog与VHDL： 两种最主要的硬件描述语言。 Verilog： C语言风格，语法灵活，易于上手。 VHDL： Ada语言风格，结构严谨，适合大型、复杂的项目。 RTL（Register Transfer Level）设计： 描述数据在寄存器之间的传输和处理过程。这是逻辑综合的输入。 行为级建模（Behavioral Modeling）： 更高的抽象层次，描述功能而不关注具体实现。 结构级建模（Structural Modeling）： 描述模块之间的连接关系。 HDL代码的编写原则： 可综合性（Synthesizability）、可读性、可维护性。 3. 逻辑综合工具的核心功能与原理 输入： RTL代码（Verilog/VHDL）、工艺库（Standard Cell Library）、设计约束（Constraints，如时钟频率、端口时序）。 输出： 门级网表（Netlist）、时序报告、功耗报告。 核心技术： 逻辑优化： 消除冗余逻辑，优化逻辑深度，提高性能。 映射（Mapping）： 将逻辑功能映射到目标工艺库的标准单元。 时序驱动优化： 在保持设计正确性的前提下，尽力满足时序约束。 面积和功耗优化： 权衡性能、面积和功耗，寻找最佳设计点。 时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）： 用于降低动态功耗。 4. 物理设计流程中的关键技术 布局（Placement）： 目标： 最小化连线长度，避免拥塞，满足时序和功耗要求。 算法： 模拟退火、力导向算法等。 时钟树综合（CTS）： 目标： 保证所有触发器接收到的时钟信号具有最小的偏差（Skew），减少时钟抖动（Jitter）。 技术： H-tree, Balanced-tree等。 布线（Routing）： 目标： 连接所有必需的信号线，避免违反设计规则，最小化线长和延迟。 技术： 多阶段布线，考虑信号完整性。 寄生参数提取： 影响： 连线中的电阻和电容会影响信号的传输速度和功耗。 工具： RC Extractor（如RedHawk, StarRC）。 5. 芯片验证的关键环节 功能验证： 仿真（Simulation）： 基于测试向量，运行RTL代码和门级网表，检查功能是否正确。 形式验证（Formal Verification）： 采用数学方法证明设计属性，如等价性检查（Equivalence Checking）、属性检查（Property Checking）。 时序验证： 静态时序分析（STA），确保设计在最坏情况下也能满足时序要求。 功耗验证： 功耗分析工具，评估芯片的功耗表现。 信号完整性（SI）和电源完整性（PI）验证： SI： 信号在传输过程中受到的干扰，如串扰（Crosstalk）、反射（Reflection）。 PI： 电源网络上的电压波动，影响电路的稳定性。 第三部分：FPGA设计与EDA工具 1. FPGA（Field-Programmable Gate Array）简介 概念： 一种可编程逻辑器件，用户可以在生产后对其内部逻辑进行配置，实现定制化的硬件功能。 组成： 可配置逻辑块（CLB, Configurable Logic Block）、输入/输出块（IOB, Input/Output Block）、可编程互连线（Programmable Interconnect）。 优势： 快速原型验证、小批量生产、灵活性高、功耗相对较低。 2. FPGA设计流程与EDA工具 RTL设计： 使用Verilog或VHDL描述设计。 综合（Synthesis）： 将RTL代码映射到FPGA厂商提供的目标器件库。 工具： Xilinx Vivado Synthesis, Intel Quartus Prime Synthesis。 实现（Implementation）： 包括布局（Placement）和布线（Routing），将逻辑映射到FPGA的物理资源上。 工具： Xilinx Vivado Implementation, Intel Quartus Prime Fitter。 时序约束与分析： 定义时钟频率、I/O时序要求，并进行时序检查。 工具： Xilinx Vivado Timing Analyzer, Intel Quartus Prime Timing Analyzer。 生成比特流（Bitstream）： 生成可下载到FPGA的配置文件。 下载与调试： 将比特流下载到FPGA，并使用逻辑分析仪等工具进行调试。 3. FPGA设计与ASIC设计的异同 共同点： 都需要HDL语言进行设计，都会经过综合、布局布线等流程。 不同点： 目标平台： ASIC是定制化芯片，FPGA是通用可编程器件。 工艺库： ASIC使用标准单元库，FPGA使用其固定的资源（LUTs, Flip-flops）。 设计流程： ASIC涉及版图设计、DRC/LVS等物理验证，FPGA则是在其预定义的架构上进行配置。 成本与周期： ASIC设计成本高、周期长，FPGA成本低、周期短。 性能： ASIC通常能达到更高的性能和更低的功耗。 第四部分：EDA技术的前沿与未来趋势 1. 先进工艺节点（Advanced Technology Nodes）的设计挑战 量子效应： 栅漏电容、短沟道效应等对电路性能影响增大。 设计规则复杂化： 制造工艺的精细化导致DRC规则数量剧增。 功耗与热管理： 高密度集成带来严峻的功耗和散热挑战。 良率（Yield）优化： 提高芯片生产良率的重要性日益凸显。 3D IC与SiP（System in Package）： 异构集成、三维堆叠等技术对EDA工具提出了新的要求。 2. 高层次综合（HLS）的深化应用 面向AI/ML的设计： 利用HLS快速实现复杂的算法，加速AI芯片的开发。 多语言支持： C/C++/SystemC到HDL的转化，以及Python等脚本语言的集成。 验证效率提升： 通过HLS，可以更早地进行软件层面的验证，减少硬件设计的返工。 3. 人工智能（AI）与EDA的融合 AI辅助设计： 利用机器学习优化布局布线、时序收敛、功耗预测等。 AI用于验证： 智能生成测试用例，加速bug定位。 AI在EDA工具开发中的应用： 提升工具自身的性能和智能化水平。 4. EDA工具的云化与服务化 EDA Cloud： 利用云计算资源提供强大的计算能力，解决EDA工具的算力瓶颈。 SaaS（Software as a Service）模式： 提供EDA工具的租赁和订阅服务，降低用户的使用门槛。 5. 可信计算与安全设计 硬件木马（Hardware Trojan）检测： 利用EDA工具扫描设计中的安全漏洞。 加密与安全IP的设计与验证： 确保芯片的安全性。 结语 EDA技术是现代电子设计皇冠上的明珠，其发展与创新直接关系到集成电路产业的进步。本书从EDA技术的核心概念、发展历程，到具体的芯片设计流程、FPGA应用，再到未来的前沿技术，力求为读者构建一个全面而深入的认知体系。掌握EDA技术，意味着掌握了创造未来电子产品的强大能力。我们希望本书能够成为您学习和探索EDA世界的坚实起点，激励您在这一充满挑战与机遇的领域不断前进。
