關鍵詞：電子設計自動化 可編程邏輯器件 硬件描述語言 邏輯綜合
引 言
隨著計算機與微電子技術的發(fā)展，電子設計自動化EDA（Electronic Design Automation）和可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）的發(fā)展都非常迅速，熟練地利用EDA軟件進行PLD器件開發(fā)已成為電子工程師必須掌握的基本技能。先進的EDA工具已經從傳統(tǒng)的自下而上的設計方法改變?yōu)樽皂斚蛳碌脑O計方法，以硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）來描述系統(tǒng)級設計，并支持系統(tǒng)仿真和高層綜合。ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的設計與制造，電子工程師在實驗室就可以完成，這都得益于PLD器件的出現(xiàn)及功能強大的EDA軟件的支持?，F(xiàn)在應用最廣泛的高密度PLD器件主要是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）和復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）。
EDA軟件方面，大體可以分為兩類：
① PLD器件廠商提供的EDA工具。較著名的如：Altera公司的 Max+plus II和Quartus II、Xilinx公司的Foundation Series、Latice-Vantis公司的ispEXERT System。
?、?第三方專業(yè)軟件公司提供的EDA工具。常用的綜合工具軟件有：Synopsys公司的FPGA Compiler II、Exemplar Logic公司的LeonardoSpectrum、Synplicity公司的Synplify。第三方工具軟件是對CPLD/FPGA生產廠家開發(fā)軟件的補充和優(yōu)化，如通常認為Max+plus II和Quartus II對VHDL/Verilog HDL邏輯綜合能力不強，如果采用專用的HDL工具進行邏輯綜合，會有效地提高綜合質量。
1 PLD器件的開發(fā)
CPLD/FPGA設計越來越復雜，使用硬件描述語言設計可編程邏輯電路已經成為大勢所趨，目前最主要的硬件描述語言是：VHDL(Very High Speed Integrated Circuit HDL)和Verilog HDL。兩種語言都已被確定為IEEE標準。
用VHDL/Verilog HDL語言開發(fā)可編程邏輯電路的完整流程為：
① 文本編輯。用任何文本編輯器都可以，但通常在專用的HDL編輯環(huán)境中進行。因為專業(yè)的集成開發(fā)環(huán)境通常提供各種結構模板，并且可以自定義各種要素（例如關鍵字、字符串、注釋等）的色彩顯示，提高可讀性，提高輸入效率。
?、?功能仿真。將文件調入HDL仿真軟件進行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確。
?、?邏輯優(yōu)化與綜合。將源文件調入邏輯綜合軟件進行邏輯分析處理，即將高層次描述（行為或數(shù)據(jù)流級描述）轉化為低層次的網表輸出（寄存器與門級描述），邏輯綜合軟件會生成EDIF（Electronic Design Interchange Format）格式的EDA工業(yè)標準文件。這步在PLD開發(fā)過程中最為關鍵，影響綜合質量的因素有兩個，即代碼質量和綜合軟件性能。
?、?適配與分割。如果整個設計超出器件的宏單元或I/O單元資源，可以將設計劃分到多片同系列的器件中。
?、?裝配或布局布線。將EDIF文件調入PLD廠家提供的軟件中進行裝配（對于CPLD）或布局布線（對于FPGA），即將設計好的邏輯寫入CPLD/FPGA器件中。
?、?時序仿真。即延時仿真，由于不同器件、不同布局布線，給延時造成的影響不同，因此對系統(tǒng)進行時序仿真，檢驗設計性能，消除競爭冒險是必不可少的步驟。
利用VHDL語言進行PLD設計開發(fā)的基本流程如圖1所示。如果選用Altera公司CPLD器件作為目標器件，上述過程可以在Altera公司提供的 Max+plus II或Quartus II集成開發(fā)環(huán)境中完成，但如果選用專用的EDA綜合工具作為補充，完成邏輯優(yōu)化與綜合，設計質量會更好。第三方綜合軟件的主要功能就是對HDL語言的源文件進行邏輯綜合，生成.edf的EDA工業(yè)標準文件，然后在PLD廠家提供的開發(fā)軟件中調入.edf文件，進行編譯、仿真、器件編程等過程，最終完成整個設計。針對Altera公司CPLD器件，我們選用Quartus II + LeonardoSpectrum的EDA組合開發(fā)方式，更重要的是，廣大學習愛好者可以在www.altera.com網站免費獲得。下面對兩款軟件作簡要介紹。
2 Quartus II軟件的應用
Quartus II是Altera公司的第四代可編程邏輯器件集成開發(fā)環(huán)境，提供從設計輸入到器件編程的全部功能。 Quartus II可以產生并識別EDIF網表文件、VHDL網表文件和Verilog HDL網表文件，為其它EDA工具提供了方便的接口；可以在Quartus II集成環(huán)境中自動運行其它EDA工具。
利用Quartus II軟件的開發(fā)流程可概括為以下幾步：設計輸入、設計編譯、設計定時分析、設計仿真和器件編程。
?。?）設計輸入
Quartus II軟件在File菜單中提供"New Project Wizard…"向導，引導設計者完成項目的創(chuàng)建。當設計者需要向項目中添加新的VHDL文件時，可以通過"New"選項選擇添加。
?。?）設計編譯
Quartus II編譯器完成的功能有：檢查設計錯誤、對邏輯進行綜合、提取定時信息、在指定的Altera系列器件中進行適配分割，產生的輸出文件將用于設計仿真、定時分析及器件編程。
圖4 LeonardoSpectrum軟件Advanced FlowTabs界面
?、?首先確定軟件處于Compile Mode，可以通過Processing菜單進行選擇。
?、?在Processing菜單中選擇Compiler Settings項，如圖2所示。可以進行器件選擇、模式設定、綜合和適配選項設定及設計驗證等。
③ 單擊Processing菜單下的"Start Compilation" 項，開始編譯過程。
④ 查看編譯結果。如圖3所示，我們可以得到詳細的編譯報告。
?。?）設計定時分析
單擊Project菜單下的"Timing Settings…"選項，可以方便地完成時間參數(shù)的設定。Quartus II軟件的定時分析功能在編譯過程結束之后自動運行，并在編譯報告的Timing Analyses文件夾中顯示，如圖3所示。其中我們可以得到最高頻率fmax、輸入寄存器的建立時間tSU、引腳到引腳延遲tPD、輸出寄存器時鐘到輸出的延遲tCO和輸入保持時間tH等時間參數(shù)的詳細報告，從中可以清楚地判定是否達到系統(tǒng)的定時要求。
?。?）設計仿真
Quartus II軟件允許設計者使用基于文本的向量文件（.vec）作為仿真器的激勵，也可以在Quartus II軟件的波形編輯器中產生向量波形文件（.vwf）作為仿真器的激勵。波形編輯方式與MAX+PLUS II軟件的操作相似。在Processing菜單下選擇"Simulate Mode"選項進入仿真模式，選擇"Simulator Settings…"對話框進行仿真設置。在這里可以選擇激勵文件、仿真模式（功能仿真或時序仿真）等，單擊"Run Simulator "即開始仿真過程。
?。?）器件編程
設計者可以將配置數(shù)據(jù)通過MasterBlaster或ByteBlasterMV通信電纜下載到器件當中，通過被動串行配置模式或JTAG模式對器件進行配置編程，還可以在JTAG模式下給多個器件進行編程。利用Quartus II軟件給器件編程或配置時，首先需要打開編程器（在New菜單選項中選擇打開Chain Description File），在編程器中可以進行編程模式設置（Mode下拉框）、硬件配置（Programming Hardware對話框）及編程文件選擇（Add File…按鈕），將以上配置存盤產生.cdf文件，其中存儲了器件的名稱、器件的設計及硬件設置等編程信息。當以上過程正確無誤后，單擊Start按鈕即可開始對器件進行編程配置。
3 LeonardoSpectrum軟件的應用
LeonardoSpectrum是Mentor Graphics的子公司Exemplar Logic的專業(yè)VHDL/Verilog HDL綜合軟件，簡單易用，可控性較強，可以在LeonardoSpectrum中綜合優(yōu)化并產生EDIF文件，作為QuartusII的編譯輸入。該軟件有三種邏輯綜合方式：Synthesis Wizard（綜合向導）、Quick Setup（快速完成）、Advanced FlowTabs（詳細流程）方式。三種方式完成的功能基本相同。Synthesis Wizard方式最簡單，Advanced FlowTabs方式則最全面，該方式有六個選項單，如圖4所示，分別完成以下功能：器件選擇、設計文件輸入、約束條件指定、優(yōu)化選擇、輸出網表文件設置及選擇調用布局布線工具。
以上每步操作都提供相應的幫助，簡單明了。需要注意的是，在輸入設計文件時要正確排列文件的次序，將底層文件放在前面，頂層文件放到后面，這樣LeonardoSpectrum軟件才能正確地建立數(shù)據(jù)信息庫。綜合完成后，可以將輸出網表文件 （.EDF）作為MAX+PLUS II或Quartus II的設計輸入文件，再完成編譯、仿真、定時分析和器件編程等步驟，完成整個系統(tǒng)的設計過程。
（A）（B）（C）（D）
4 VHDL編碼方式對綜合質量的影響
VHDL語言支持全部的仿真功能，但并不是全部可綜合的。VHDL程序的許多硬件描述和仿真結構沒有對應的數(shù)字電路來實現(xiàn)，還有些描述在理論上可以映射為對應的數(shù)字電路，但是卻不能保證其精確性，比如延時模型。隨著綜合算法技術水平的提高，針對某些寄存器傳輸級RTL（Register Transfer Level）電路描述可以進行有效的優(yōu)化，但是對于更普遍的電路描述這還不夠，因此綜合結果是否滿足給定的時間約束條件和面積約束條件，還取決于VHDL編碼方式。下面給出幾點經驗，相信對提高綜合質量有所幫助與啟發(fā)。
（1）資源共享
例如下面的兩段代碼中，（A）需要2個加法器，而完成同樣的功能，略做修改；（B）只需要1個加法器，有效地減少了使用面積。
適當?shù)乩脠A括號進行重新組合，有時也可以實現(xiàn)資源的共享。如下面兩段代碼（C）和（D），（D）中輸入信號b和c即可實現(xiàn)加法器的共享。
?。?）使用帶范圍限制的整數(shù)
在VHDL中無約束整數(shù)的范圍是-2147483647～+2147483647。這意味著至少需要32位來表示，但通常這會造成資源的浪費，有些綜合軟件會自動優(yōu)化，但所消耗的時間是相當可觀的。因此，如果不需要全范圍的整型數(shù)據(jù)，最好指定范圍，例如：
signal small_int : integer range 255 downto 0 ;
small_int在本例中只需要8位，而不是32位，有效地節(jié)約了器件面積。
（3）使用宏模塊
當在VHDL中使用算術邏輯、關系邏輯等通用邏輯結構時，多數(shù)EDA開發(fā)軟件及專用綜合工具通常包含針對特定工藝的優(yōu)化宏模塊供我們選擇，從功能上可分為時序電路宏模塊、運算電路宏模塊和存儲器宏模塊，具有很高的執(zhí)行效率，使得綜合結果面積更小、頻率更高、所需編譯時間更短。當然，它們是針對特定工藝的，這將使VHDL程序依賴于具體的器件系列，影響移植性。
(E)(F)
?。?）高級設計優(yōu)化
上述幾種方法是在沒有改變其功能性的情況下進行綜合優(yōu)化的，有時候我們可以在不妨礙設計規(guī)格約束的前提下，稍微改變其功能，來提高綜合效率，參考下面兩個例子（E）和（F）。
在（E）中，綜合工具建立遞增計數(shù)器和完整的比較器；在（F）中，綜合工具建立遞減計數(shù)器和對于常數(shù)零的比較器。由于和常數(shù)作比較更易于實現(xiàn)，且占用邏輯單元更少，因此（F）程序更高效。
另外，由于綜合工具只能支持VHDL的子集，為保證在綜合前后的仿真保持相同，以下語句在綜合中應該避免使用：
◇ 避免使用 wait for xx ns，這種語句不會被綜合為實際的電路元件；
◇ 避免使用after xx ns，在綜合工具進行綜合時，會忽略after語句；
◇ 避免在信號和變量聲明時賦初值，因為大部分綜合工具會忽略初始化語句，如果使用初始化語句，那么綜合的結果和仿真的結果將會產生差異。
結 語
功能強大的EDA開發(fā)軟件和專業(yè)的綜合工具的不斷發(fā)展，使PLD設計或ASIC 設計過程更簡單、更快捷；但是，要提高設計質量，編程方式仍然起著至關重要的作用，需要我們在實踐中不斷摸索，積累經驗，提高設計水平。
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