原创 VHDL硬件描述语言漫谈

VHDL语言作为一种数字电子系统设计语言，在集成电路前端设计，用FPGA器件实现的数字电子系统设计的过程中，发挥着十分重要的作用。用EDA工程的方法进行现代电子系统设计，对于科研、教学领域是一门新发展的工程学科，对于信息产业领域的设计企业、生产企业是一项先进的设计和生产技术。
 电子设计技术由于计算机技术的发展而产生了巨大变化。经典的电子设计方法，是用电路图表示设计思想，用实验电路板搭载实验电路，进行模拟、仿真，用电子测试仪器进行功能、性能测试。20世纪80年代，计算机辅助设计（CAD）技术开始发展，许多CAD工具软件开始流行。在信息学科领域也和其他学科一样，计算机辅助设计技术步入了发展轨道。由于电子科学是计算机科学的基础，计算机学科的发展离不开电子学科的支持，但是计算机科学又反作用于电子科学，加速了电子学科的发展。这样构成了一个闭环正反馈系统，使得电子设计技术很快由计算机辅助设计阶段进入了电子设计自动化（EDA）阶段。这是一个质的飞越，因为在EDA工程中，用硬件描述语言表达设计思想，用计算机进行模拟、仿真，可测试设计把测试器件设计到芯片系统内部，实现了内建自测试功能。利用EDA集成设计环境，可以使电子设计流程全自动实现。我们把利用EDA工程进行电子设计的方法称为现代电子设计。
 20世纪80年代，电子产品设计由分立元件设计过渡到用通用集成电路为基本元件的设计。这两个阶段各自有几十年的发展时间。随着EDA工程的发展，电子产品的设计在21世纪初进入到以IP核为基本单元的设计时代。在电子设计初级阶段，设计工程师用分立电子元件设计电路，体积大，功耗多，可靠性低。采用通用集成电路芯片设计电子系统后，电子系统整机体积大大缩小，功耗大幅度下降。TTL门电路、CMOS器件都是设计工程师选择的常用元件。在现代电子设计阶段，设计工程师不再选用分立电子元件、通用集成电路，而是选用IP核作为电子设计的基本元件。这在概念上有较大差别。分离元件、通用集成电路芯片是一个实际的电子元件，IP核则是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。利用IP核设计电子系统，引用方便，修改基本元件的功能容易。具有复杂功能和商业价值的IP核一般具有知识产权，尽管IP核的市场活动还不规范，但是仍有许多集成电路设计公司从事IP核的设计、开发和营销工作。IP核有两种，与工艺无关的VHDL程序称为软核；具有特定电路功能的集成电路版图称为硬核。硬核一般不允许更改，利用硬核进行集成电路设计难度大，但是容易成功流片。
 电子系统设计由板上设计发展到片上系统（SOC）设计。在板上系统设计阶段，即经典电子设计阶段，许多分立元件、通用集成电路芯片和一些小型的机械元件安装在电路板上。印刷电路板（PCB）设计一度成为电子产品设计的关键技术之一。在EDA工程发展到一定程度之后，板上电子系统设计过渡到片上系统设计，进入了现代电子设计阶段。许多电路功能、微机械元件都能在一枚芯片上实现。片上系统的设计理念不仅是支撑载体的变化，不仅是电子产品的小型化、微型化，它还带来了SOC设计方法学的发展。把仿生学原理引入SOC设计，遗传算法、视觉原理、硬件进化等设计理论的引入，使SOC片上系统具有了系统自修复、自生长能力，使得SOC片上系统更加智能化，容错能力更强。
片上系统设计反过来又影响着板上系统设计。在EDA设计过程中，在印刷电路板（PCB）设计之前，要进行系统集成设计，把许多电路功能设计在一片或数片集成电路芯片之中，再进行PCB设计。所以，PCB设计和集成电路设计两者之间的界限正在模糊，正逐步融为一体。未来的电子产品正逐步统一化，外观上产品A和产品B没有什么区分。功能不同的电子系统，仅仅表现为内部的VHDL程序的不同。
 电子设计技术的发展，在EDA工程设计阶段，现代电子设计流程发生了较大的变化。在经典电子设计阶段，先设计硬件，后设计软件。如果有问题，重复以上过程。在现代电子设计过程中，硬件设计和软件设计可以同步进行，电子系统的硬件功能和软件功能的划分、调度是EDA工程研究的分支领域之一，这就是软、硬件协同设计的概念。
集成电路设计实现的途径有3条，有两条适合小批量、多用途芯片的实现，另一条适合大规模工业化生产。
 集成电路实现途径之一——实验室集成电路生成方法。掌握这种方法有3要素：硬件描述语言、EDA工具、可编程器件。VHDL是设计语言，表达设计思想。EDA工具是设计、调试、编程的工具，涉及语言编译、功能仿真、编程配置等全部设计实现过程。可编程器件是设计实现的载体，根据存储介质的不同，有EPROM、SRAM和FLASH 3种类型。根据编程次数分为一次可编程和重复可编程两种。可编程器件容量大、密度高，是科学实验、小批量生产、样机研制的最佳选择。
 集成电路实现途径之二——多项目晶圆（MPW）。这种方法是：多个设计项目小组设计的集成电路版图，在一块晶圆上实现。许多发达国家利用这种方法资助高等学校、科研单位的集成电路设计项目，使得集成电路设计产业得到迅速发展，设计技术迅速进步。近几年来，我国也开展了MPW项目，许多教师、学生的设计项目也能用这种方法流片，大大推进了我国集成电路设计事业的发展。
 集成电路实现途径之三——设计项目经过集成电路前端设计、后端设计，仿真验证后的版图，寻找代工厂进行工业化大规模生产。我国集成电路生产线有多条，代工厂有多家，为集成电路设计企业进行大批量工业化生产提供了充足的条件。
信息产业对国民经济的推动，集成电路设计对国家安全的影响是十分重要的。国家兴亡，匹夫有责。现代战争靠的就是现代电子设计技术。每一个电子学科的学生，每一个信息产业的设计人员，都应该为了我们国家的安全而努力学好现代电子设计的理论与技术。




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