EDA技术在数字电路设计中的应用
苗瑾超1，郭 勤1，邵鹏飞1 2，刘 超1
（1.新疆大学科学技术学院阿克苏校区，阿克苏 843000；2.浙江万里学院，宁波 315000）
摘要：随着电子信息的发展，社会对人才需求的变化，高校的传统教学也得到了前所未有的挑战，因此，急需一种新的
设计技术来适应新形势下应用型本科院校人才培养的需求。本文以EDA技术的特点为出发点，对其设计流程进行简要的介绍，然后以五进制加法计数器为例，讨论EDA技术在数字逻辑电路实验中的具体实践应用。关键词：EDA技术；数字电子电路设计；实践课程d o I：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.007
中图分类号：TN710，TN79 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）02-0025-03
数字电路设计作为我校电子信息专业一门重要的实践类课程，针对培养应用型人才，该课程具有理论与实践相结合的特点，且实践性较强。随着电子信息的发展，社会对人才需求的变化，高校的传统教学也得到了前所未有的挑战。同时，我校教师也一直在探索关于数字电路教学的改革，以适应新形势下应用型本科人才培养的要求。
电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）技术是新兴的电子设计自动化工具，是目前
世界电子设计的最新技术方向和潮流[1]。在数字电
路实验中，EDA作为一种重要的实验工具使传统数字电路实验的教学模式得到了改变，实验的操作过程得到了一定的简化，同时数字电路实验的教学质量也得到了提高，最终使得学生的现代电子设计能力得到了提高。
1 EDA技术基本特征
EDA作为现代电子设计的核心，以大规模可编
程逻辑器件（ FPGA/COLD）为载体，以计算机为
工作平台，在EDA软件开发环境下，采用硬件描述语言Hdl（hardware Description Language）编
写设计文件，而一系列的编译、综合及优化、布局布线、仿真[1]，直到编程下载等工作都可自动的完成。
电路的逻辑功能与器件无关，采用的是用硬件描述语言实现，在整个硬件设计的过程中就像软件设计一样方便高效，对设计者的硬件电路方面的知识需求较低，各可编程器件之间可移植性好，因此适合多个设计者协同分工设计，可缩短开发周期。
EDA技术具备采用高级硬件语言描述的特点，能够实现系统级仿真具有较强的综合性能[1]。它主
要采用的是“自顶向下”和并行工程的设计方法，使
设计者一开始就将产品生成周期、成本、质量、开发时间等一系列因素考虑到其中。然后系在对系统进行设计的时候，需要先从整体要求入手，“自顶向下”将整个系统设计划分为不同的功能。在设计中每个阶段都可进行仿真，并及时改正设计中发现的错误。高层次系统采用硬件描述语言，最后具体的门级逻辑电路网表文件需要用逻辑综合优化工具来产生，而专用集成电路或印刷电路板的实现是对应的物理级得到的。
我校Eda实验室主要采用的是quartusii软件。Quartusii是altera公司推出的一款综合性可编程逻辑器件开发软件，设计者可直接用硬件描述语言或原理图进行设计，对于内部器件不需要精通，且设计速度快。该软件最主要的特点为：运行速度快、易学易用。
2 EDA技术设计流程
EDA技术设计流程如图1所示。（1）设计输入。一个设计项目可由单个或多个
原文件组织而成，它们可以是原理图文件、混合输
入文件、VHDL文本文件等。
（2）综合。综合的关键是将Verilog HDL的软
件转化为硬件电路，使两者进行挂钩，完成综合必
须借助EDA软件的综合器。对供应商提供的某一FPGA/CPLD产品可针对其源文件进行综合。设计人员设计的逻辑电路图可利用EDA软件提供的逻
辑综合和优化功能将其自动地转化为门级电路，同时还会生成对应的时序分析文件和网表文件。
（3）布线布局。在综合之后的网表文件利用布
局/布线适配器针对某一具体的器件进行逻辑映射操作，将其映射操作（包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布线等操作）配置于目标器件中。
（4）仿真。在EDA设计中最重要的步骤就是仿真，即是下载编程前，利用EDA工具对适配产生的结果进行模拟测试。在EDA设计过程中仿真可
分为两种不同级别的仿真测试，即时序仿真和功能仿真。其中，时序仿真是完全考虑了器件的硬件特性，并根据适配器产生的网表文件进行仿真，仿真精度较高，因为它最接近于器件的真实运行。功能仿真不会考虑到硬件特性，对设计者所描述的逻辑功能进行仿真，且完全满足设计者的要求。
（5）编程下载。通过仿真验证设计完成后，采用Byteblaster下载电缆线以jtag方式将适配生成的下载或配置文件下载至FPGA/CPLD器件内，方便于硬件的调试和验证。
上述步骤完成后，将统一对整个硬件系统进行测试，以便发现设计中的问题，得到及时的解决。
3 EDA技术的优势及在数字电路课程设计中的应用
由于初学阶段的学生对硬件电路的功能及特性的不熟悉，导致在连接电路时易出错，在检查错误过程中也会浪费大量的时间和精力，一旦出错，将导致电路出现一些不正常或无法预知的实验结果，最终使实验失败，甚至还可能会出现损坏电路元器件、实验测试仪器及一些无法预测的安全事
故。引入EDA后的数字电路实验可通过用硬件描述语言去描述电路的功能，将硬件采用“软件”的方式去描述，大大降低了设计时间及设计难度。“自顶
向下”的设计理念始终贯穿于EDA设计中，而人们也习惯于这种思维方式，因此电路设计的逻辑性较强，同时也便于学生思维的发展和提高，使学生具有一定的成就感，提高其学习的积极性。
传统的数字电路采用的是TTL逻辑器件进行设计连线，由于实验条件受限，且随着实验教学年限的增加，实验室设备的损坏、老化，需要定期的更新与维护，才能保证正常实验的进行。而电子技术的发展和更新日新月异，实验室的设备需要紧跟时代的步伐进行更新换代，多数学校设备的更新都不能紧跟技术的发展，将直接影响到学生对最新
知识的掌握，传统实验的不足可由EDA仿真软件弥补，只需在计算机实验室安装EDA软件即可。当学
生熟练的掌握了EDA技术之后，可缩短数字电路实
验的时间，对于所描述出的电路更容易进行修改与调试，也能激发学生的兴趣，这种将理论与实践联系起来的方式对于理论知识的掌握有很大的帮助。
由于EDA技术十分广博，在课堂学习之外还留给学
生更多的想象空间，学生可通过自主创新，提高对数字电路的创新能力。
下面以设计一个五进制加法计数器为例来讨论EDA在数字逻辑电路实验中的具体应用。在此设计一个带有复位端的计数器，端口分别为： clk （时钟，输入端，位宽为1）， res （复位，输入端，
位宽为1），cnt[2,0]（计数端，输出端，位宽为3）。时钟clk为上升沿触发，复位res低有效，计数端cnt[2,0]有效数据范围为3’ b000~3’ b10 0。程序流程图如图2所示。
通过对五进制计数器的分析，用Veriloghdl描述出功能后，在Quartus II 11.0软件上联合Modelsim进行仿真后，得到如图3所示的仿真波形。
通过波形图我们可以看出，所设计的逻辑功能
和设计要求完全一致，通过Quartusii11.0综合后的电路图如图4所示，我们可以观察出五进制计数器
有哪些基本的逻辑器件所组成，最后将设计的项目
通过Quartus II 11.0软件下载/配置到相对应的实验
箱，学生可以很直观的观察到计数器的逻辑功能。
而对于传统的教学我们必须熟悉各个逻辑器件以及要设计出的电路图的具体的组成，才能构造
出总的电路图，而对于EDA技术我们只要了解了它
的功能，根据它的功能用硬件语言描述出来，通过软件的综合后就可以得到对应的电路图。尤其是对
于一些复杂的电路，利用EDA技术比传统的实验教
学更简单方便，更易掌握。
4 结束语
广泛应用于电子系统设计中的EDA技术是电子技术发展的产物。我们将EDA与数字电路实验结合起来，有效的改变了传统实验教学的不足，同时提高了学生的积极性和创新能力，紧跟时代步伐，让学生掌握最新的电子技术知识，适应社会的发展。■
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