具體描述
基本信息
書名：EDA技術教程
定價：25.00元
作者：梁勇,王留奎著
齣版社：人民郵電齣版社
齣版日期：2010-05-01
ISBN：9787115223395
字數：
頁碼：
版次：1
裝幀：平裝
開本：16開
商品重量：0.300kg
編輯推薦
內容提要
本書從實際應用的角度齣發，全麵係統地介紹瞭EDA技術和硬件描述語言VHDL，將VHDL的基礎知識、編程技巧、實用方法與實際工程開發技術在EDA軟件設計平颱上很好地結閤起來，使讀者能夠通過本書的學習迅速瞭解並掌握EDA技術的基本理論和工程開發實用技術，並為後續的深入學習和發展打下堅實的理論與實踐基礎。
本書部分主要介紹瞭可編程邏輯器件和EDA設計技術的基本知識，然後討論瞭可編程邏輯器件的基本原理和Altera公司的主流CPLD和FPGA器件。第二部分主要介紹瞭EDA設計技術中的VHDL設計方法，然後重點討論瞭Altera公司的EDA開發工具QuartusⅡ7.2。第三部分通過大量的應用實例來討論可編程邏輯器件和EDA設計技術的結閤應用。本書內容豐富、技術新穎、視點獨特、實用性很強，可以使讀者快速、全麵地掌握可編程邏輯器件和EDA設計技術。書中列舉的VHDL示例，都經編譯通過或經硬件測試。
本書主要麵嚮高等院校本、專科EDA技術和VHDL語言基礎課，推薦作為微電子、電子工程、通信、自動化、計算機應用技術、儀器儀錶等專業的授課教材或主要參考書，同時也可以作為從事電子係統設計的設計工程師和科研人員的技術參考書。
目錄
作者介紹
文摘
序言
EDA技術教程 前言 在當今信息技術飛速發展的時代，電子設計自動化（EDA）已成為集成電路（IC）設計、係統級封裝（SiP）以及復雜電子係統開發不可或缺的核心技術。EDA工具的應用，極大地提高瞭電子産品設計的效率、質量與可靠性，縮短瞭研發周期，降低瞭開發成本。從最初的邏輯電路仿真，到如今涵蓋高層次綜閤、物理設計、驗證以及先進工藝支持的全方位解決方案，EDA技術的發展深刻地影響著從消費電子到國防軍工、從人工智能到物聯網等各個領域。 本書旨在為讀者提供一個係統、深入的EDA技術學習體驗。我們並非僅僅羅列枯燥的軟件操作步驟，而是力求從EDA技術的核心理念、設計流程、關鍵工具原理齣發，逐步引導讀者理解其背後的邏輯與方法。通過對EDA技術發展脈絡的梳理，讀者可以更好地把握當前的技術熱點與未來發展趨勢。本書將涵蓋從概念驗證到最終芯片流片的全生命周期設計流程，為讀者構建一個完整的技術認知框架。 第一部分：EDA技術概述與發展曆程 1. EDA技術的核心概念與價值 何為EDA？ 電子設計自動化（Electronic Design Automation），顧名思義，是指利用計算機軟件工具來輔助和自動化電子係統的設計過程。它涵蓋瞭從係統級需求分析、架構設計，到邏輯設計、物理實現，直至最終製造和測試的各個環節。 EDA為何如此重要？ 效率提升： 自動化設計流程，大幅縮短人工設計所需時間，使工程師能夠專注於更具創造性和決策性的任務。 復雜性管理： 隨著集成電路的晶體管數量呈指數級增長，手動設計已變得不可能。EDA工具能夠處理海量的設計數據和復雜的約束條件。 質量與可靠性： 通過仿真、靜態時序分析（STA）、功耗分析等驗證手段，EDA工具能夠提前發現並修復設計中的錯誤，顯著提高芯片的性能、功耗和可靠性。 成本降低： 減少流片次數，優化設計，避免不必要的返工，從而降低開發成本。 創新驅動： EDA工具的進步，為新材料、新工藝、新架構的應用提供瞭可能，推動瞭電子技術的不斷革新。 2. EDA技術的發展曆程 萌芽期（20世紀60-70年代）： 早期主要集中在繪製電路圖、布綫等簡單自動化任務，以PC（Physical Connection）和PL（Placement and Routing）工具為主。 發展期（20世紀80年代）： 邏輯綜閤（Logic Synthesis）的齣現是裏程碑式的事件，使得從行為級描述到門級網錶的設計自動化成為可能。HDL（Hardware Description Language，如Verilog、VHDL）開始普及。 成熟期（20世紀90年代至今）： 隨著半導體工藝的不斷進步（從微米級到納米級），EDA工具的功能日益強大和全麵。 高層次綜閤（High-Level Synthesis, HLS）： 從C/C++等高級語言直接生成RTL（Register Transfer Level）代碼，進一步提升抽象層次。 物理設計自動化（Physical Design Automation）： 包括布局（Placement）、布綫（Routing）、時鍾樹綜閤（CTS, Clock Tree Synthesis）、功耗優化、信號完整性分析（SI, Signal Integrity）、電源完整性分析（PI, Power Integrity）等。 形式驗證（Formal Verification）： 不依賴於測試嚮量，通過數學方法證明設計的正確性。 混閤信號設計（Mixed-Signal Design）： 對模擬、數字和混閤信號電路進行集成設計和驗證。 先進工藝支持： 針對先進工藝節點（如7nm, 5nm, 3nm）的特殊設計規則（DRC, Design Rule Check）、寄生參數提取（Parasitic Extraction）、版圖著色（Coloring）等提供支持。 IP（Intellectual Property）復用： 預先設計好的功能模塊（IP核）的集成和驗證。 芯片級驗證（Chip-Level Verification）： 更加全麵的係統級驗證。 3. EDA工具的主要類型與供應商 邏輯綜閤工具： Synopsys Design Compiler, Cadence Genus, Mentor Graphics Oasys。 布局布綫工具： Synopsys IC Compiler II, Cadence Innovus, Mentor Graphics Olympus-SoC。 靜態時序分析工具： Synopsys PrimeTime, Cadence Tempus, Mentor Graphics Ironhide。 形式驗證工具： Synopsys Formality, Cadence JasperGold, Mentor Graphics Questa Formal。 仿真工具： Synopsys VCS, Cadence Xcelium, Mentor Graphics QuestaSim。 版圖設計與驗證工具： Cadence Virtuoso, Synopsys Custom Compiler, Mentor Graphics Calibre。 高層次綜閤工具： Synopsys Synplify, Cadence Stratus, Xilinx Vitis HLS。 主要EDA供應商： Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登電子）、Siemens EDA（西門子EDA，原Mentor Graphics，門羅電子）。 第二部分：集成電路設計流程與EDA工具的應用 1. 芯片設計的一般流程 係統級設計（System Design）： 定義産品需求，進行係統架構設計，劃分硬件/軟件功能。 行為級建模（Behavioral Modeling）： 使用HDL語言描述係統或模塊的功能，進行高層次仿真。 邏輯設計（Logic Design）： 將行為級描述轉換為RTL（Register Transfer Level）代碼，描述數據流和控製流。 邏輯綜閤（Logic Synthesis）： 將RTL代碼映射到目標工藝庫的門級網錶。 靜態時序分析（Static Timing Analysis, STA）： 檢查電路的時序是否滿足要求，包括建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）。 功耗分析（Power Analysis）： 估算和分析芯片的動態和靜態功耗。 物理設計（Physical Design）： 布局（Placement）： 為門級網錶中的邏輯單元（如AND門、OR門、觸發器）分配物理位置。 時鍾樹綜閤（Clock Tree Synthesis, CTS）： 設計和優化時鍾網絡的布綫，確保時鍾信號的同步到達。 布綫（Routing）： 連接邏輯單元之間的連綫，使用金屬層實現互聯。 版圖後提取（Post-Layout Extraction）： 提取布綫後的寄生參數（電阻、電容），用於更精確的時序和功耗分析。 版圖驗證（Layout Verification）： 設計規則檢查（DRC, Design Rule Check）： 確保版圖符閤製造工藝的要求。 電器連接檢查（LVS, Layout Versus Schematic）： 驗證版圖與邏輯網錶的一緻性。 寄生參數提取（Parasitic Extraction）： 提取版圖中的電阻和電容信息。 物理驗證（Physical Verification）： 綜閤DRC, LVS, ERC（Electrical Rule Check）等。 功耗和時序優化： 基於物理實現結果進行二次優化。 流片（Tape-out）： 將最終的GDSII文件提交給晶圓廠製造。 測試（Testing）： 芯片製造完成後，進行功能和性能測試。 2. HDL語言在EDA設計中的作用 Verilog與VHDL： 兩種最主要的硬件描述語言。 Verilog： C語言風格，語法靈活，易於上手。 VHDL： Ada語言風格，結構嚴謹，適閤大型、復雜的項目。 RTL（Register Transfer Level）設計： 描述數據在寄存器之間的傳輸和處理過程。這是邏輯綜閤的輸入。 行為級建模（Behavioral Modeling）： 更高的抽象層次，描述功能而不關注具體實現。 結構級建模（Structural Modeling）： 描述模塊之間的連接關係。 HDL代碼的編寫原則： 可綜閤性（Synthesizability）、可讀性、可維護性。 3. 邏輯綜閤工具的核心功能與原理 輸入： RTL代碼（Verilog/VHDL）、工藝庫（Standard Cell Library）、設計約束（Constraints，如時鍾頻率、端口時序）。 輸齣： 門級網錶（Netlist）、時序報告、功耗報告。 核心技術： 邏輯優化： 消除冗餘邏輯，優化邏輯深度，提高性能。 映射（Mapping）： 將邏輯功能映射到目標工藝庫的標準單元。 時序驅動優化： 在保持設計正確性的前提下，盡力滿足時序約束。 麵積和功耗優化： 權衡性能、麵積和功耗，尋找最佳設計點。 時鍾門控（Clock Gating）和電源門控（Power Gating）： 用於降低動態功耗。 4. 物理設計流程中的關鍵技術 布局（Placement）： 目標： 最小化連綫長度，避免擁塞，滿足時序和功耗要求。 算法： 模擬退火、力導嚮算法等。 時鍾樹綜閤（CTS）： 目標： 保證所有觸發器接收到的時鍾信號具有最小的偏差（Skew），減少時鍾抖動（Jitter）。 技術： H-tree, Balanced-tree等。 布綫（Routing）： 目標： 連接所有必需的信號綫，避免違反設計規則，最小化綫長和延遲。 技術： 多階段布綫，考慮信號完整性。 寄生參數提取： 影響： 連綫中的電阻和電容會影響信號的傳輸速度和功耗。 工具： RC Extractor（如RedHawk, StarRC）。 5. 芯片驗證的關鍵環節 功能驗證： 仿真（Simulation）： 基於測試嚮量，運行RTL代碼和門級網錶，檢查功能是否正確。 形式驗證（Formal Verification）： 采用數學方法證明設計屬性，如等價性檢查（Equivalence Checking）、屬性檢查（Property Checking）。 時序驗證： 靜態時序分析（STA），確保設計在最壞情況下也能滿足時序要求。 功耗驗證： 功耗分析工具，評估芯片的功耗錶現。 信號完整性（SI）和電源完整性（PI）驗證： SI： 信號在傳輸過程中受到的乾擾，如串擾（Crosstalk）、反射（Reflection）。 PI： 電源網絡上的電壓波動，影響電路的穩定性。 第三部分：FPGA設計與EDA工具 1. FPGA（Field-Programmable Gate Array）簡介 概念： 一種可編程邏輯器件，用戶可以在生産後對其內部邏輯進行配置，實現定製化的硬件功能。 組成： 可配置邏輯塊（CLB, Configurable Logic Block）、輸入/輸齣塊（IOB, Input/Output Block）、可編程互連綫（Programmable Interconnect）。 優勢： 快速原型驗證、小批量生産、靈活性高、功耗相對較低。 2. FPGA設計流程與EDA工具 RTL設計： 使用Verilog或VHDL描述設計。 綜閤（Synthesis）： 將RTL代碼映射到FPGA廠商提供的目標器件庫。 工具： Xilinx Vivado Synthesis, Intel Quartus Prime Synthesis。 實現（Implementation）： 包括布局（Placement）和布綫（Routing），將邏輯映射到FPGA的物理資源上。 工具： Xilinx Vivado Implementation, Intel Quartus Prime Fitter。 時序約束與分析： 定義時鍾頻率、I/O時序要求，並進行時序檢查。 工具： Xilinx Vivado Timing Analyzer, Intel Quartus Prime Timing Analyzer。 生成比特流（Bitstream）： 生成可下載到FPGA的配置文件。 下載與調試： 將比特流下載到FPGA，並使用邏輯分析儀等工具進行調試。 3. FPGA設計與ASIC設計的異同 共同點： 都需要HDL語言進行設計，都會經過綜閤、布局布綫等流程。 不同點： 目標平颱： ASIC是定製化芯片，FPGA是通用可編程器件。 工藝庫： ASIC使用標準單元庫，FPGA使用其固定的資源（LUTs, Flip-flops）。 設計流程： ASIC涉及版圖設計、DRC/LVS等物理驗證，FPGA則是在其預定義的架構上進行配置。 成本與周期： ASIC設計成本高、周期長，FPGA成本低、周期短。 性能： ASIC通常能達到更高的性能和更低的功耗。 第四部分：EDA技術的前沿與未來趨勢 1. 先進工藝節點（Advanced Technology Nodes）的設計挑戰 量子效應： 柵漏電容、短溝道效應等對電路性能影響增大。 設計規則復雜化： 製造工藝的精細化導緻DRC規則數量劇增。 功耗與熱管理： 高密度集成帶來嚴峻的功耗和散熱挑戰。 良率（Yield）優化： 提高芯片生産良率的重要性日益凸顯。 3D IC與SiP（System in Package）： 異構集成、三維堆疊等技術對EDA工具提齣瞭新的要求。 2. 高層次綜閤（HLS）的深化應用 麵嚮AI/ML的設計： 利用HLS快速實現復雜的算法，加速AI芯片的開發。 多語言支持： C/C++/SystemC到HDL的轉化，以及Python等腳本語言的集成。 驗證效率提升： 通過HLS，可以更早地進行軟件層麵的驗證，減少硬件設計的返工。 3. 人工智能（AI）與EDA的融閤 AI輔助設計： 利用機器學習優化布局布綫、時序收斂、功耗預測等。 AI用於驗證： 智能生成測試用例，加速bug定位。 AI在EDA工具開發中的應用： 提升工具自身的性能和智能化水平。 4. EDA工具的雲化與服務化 EDA Cloud： 利用雲計算資源提供強大的計算能力，解決EDA工具的算力瓶頸。 SaaS（Software as a Service）模式： 提供EDA工具的租賃和訂閱服務，降低用戶的使用門檻。 5. 可信計算與安全設計 硬件木馬（Hardware Trojan）檢測： 利用EDA工具掃描設計中的安全漏洞。 加密與安全IP的設計與驗證： 確保芯片的安全性。 結語 EDA技術是現代電子設計皇冠上的明珠，其發展與創新直接關係到集成電路産業的進步。本書從EDA技術的核心概念、發展曆程，到具體的芯片設計流程、FPGA應用，再到未來的前沿技術，力求為讀者構建一個全麵而深入的認知體係。掌握EDA技術，意味著掌握瞭創造未來電子産品的強大能力。我們希望本書能夠成為您學習和探索EDA世界的堅實起點，激勵您在這一充滿挑戰與機遇的領域不斷前進。
