EDA 技术的发展与应用

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EDA 技术的发展与应用
1 前言
人类社会已进入到高度发达的信息化社
会, 信息社会的发展离不开电子产品的进步。现
代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时, 价
格却一直呈下降趋势, 而且产品更新换代的步伐
也越来越快, 实现这种进步的主要原因就是生产
制造技术和电子设计技术的发展。
2 EDA 技术的发展
回顾近30 年电子设计技术的发展历程, 可
将EDA 技术分为三个阶段。
二十世纪七十年代为CAD 阶段, 这一阶段
人们开始用计算机辅助进行IC 版图编辑和PCB
布局布线, 取代了手工操作, 产生了计算机辅助
设计的概念。
二十世纪八十年代为CAE 阶段, 与CAD相
比, 除了纯粹的图形绘制功能外, 又增加了电路功
能设计和结构设计, 并且通过电气连接网络表将两
者结合在一起, 以实现工程设计, 这就是计算机辅
助工程的概念。CAE 的主要功能是: 原理图输入、
逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、PCB后分析。
3 ESDA 技术的基本特征
ESDA 代表了当今电子设计技术的最新发
展方向, 它的基本特征是: 设计人员按照“自顶向
下”的设计方法, 对整个系统进行方案设计和功
能划分, 系统的关键电路用一片或几片专用集成
电路( ASIC) 实现, 然后采用硬件描述语言( HDL)
完成系统行为级设计, 最后通过综合器和适配器
生成最终的目标器件。下面介绍与ESDA 基本特
征有关的几个概念。
3.1“自顶向下”的设计方法
10 年前, 电子设计的基本思路还是选择标
准集成电路“自底向上”( Bottom- Up) 地构造出一
个新的系统, 这样的设计方法就如同一砖一瓦地
建造金字塔, 不仅效率低、成本高而且还容易出
错。高层次设计给我们提供了一种“自顶向下”
( Top- Down) 的全新的设计方法, 这种设计方法
首先从系统设计入手, 在顶层进行功能方框图的
划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错,
并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描
述, 在系统一级进行验证。
3.2ASIC 设计
现代电子产品的复杂度日益加深, 一个电子
系统可能由数万个中小规模集成电路构成, 这就
带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题, 解决这
一问题的有效方法就是采用ASIC( Application
Specific Integrated Circuits) 芯片进行设计。ASIC
按照设计方法的不同可分为: 全定制ASIC, 半定
制ASIC, 可编程ASIC( 也称为可编程逻辑器件) 。
设计全定制ASIC 芯片时, 设计师要定义芯
片上所有晶体管的几何图形和工艺规则, 最后将
设计结果交由IC 厂家掩膜制造完成。优点是: 芯
片可以获得最优的性能, 即面积利用率高、速度
快、功耗低。缺点是: 开发周期长, 费用高, 只适合
大批量产品开发。
半定制ASIC 芯片的版图设计方法有所不
同, 分为门阵列设计法和标准单元设计法, 这两
种方法都是约束性的设计方法, 其主要目的就
是简化设计, 以牺牲芯片性能为代价来缩短开
发时间。
上述ASIC 芯片, 尤其是CPLD/FPGA 器件,
已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。
3.3 硬件描述语言
硬件描述语言( HDL- Hardware Description
Language) 是一种用于设计硬件电子系统的计算
机语言, 它用软件编程的方式来描述电子系统的
逻辑功能、电路结构和连接形式, 与传统的门级
描述方式相比, 它更适合大规模系统的设计。例
如一个32 位的加法器, 利用图形输入软件需要
输入500 至1000 个门, 而利用VHDL 语言只需
要书写一行A=B+C 即可, 而且VHDL 语言可读
性强, 易于修改和发现错误。早期的硬件描述语
言, 如ABEL- HDL、AHDL, 是由不同的EDA 厂
商开发的, 互相不兼容, 而且不支持多层次设计,
层次间翻译工作要由人工完成。为了克服以上缺
陷, 1985 年美国国防部正式推出了VHDL(Very
High Speed IC Hardware Description Language)
语言, 1987 年IEEE 采纳VHDL 为硬件描述语
言标准( IEEE STD- 1076) 。
VHDL 是一种全方位的硬件描述语言, 包括
系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计
层次,支持结构、数据流、行为三种描述形式的混
合描述, 因此VHDL 几乎覆盖了以往各种硬件
描述语言的功能, 整个自顶向下或自底向上的电
路设计过程都可以用VHDL 来完成。
3.4 系统框架结构
EDA 系统框架结构(Framework)是一套配置
和使用EDA 软件包的规范, 目前主要的EDA 系
统都建立了框架结构, 如Cadence 公司的Design
Framework,Mentor 公司的Falcon Framework 等,
这些框架结构都遵守国际CFI 组织(CAD
Framework Initiative) 制定的统一技术标准。
Framework 能将来自不同EDA 厂商的工具软件
进行优化组合, 集成在一个易于管理的统一的环
境之下, 而且还支持任务之间、设计师之间在整
个产品开发过程中实现信息的传输与共享, 这是
并行工程和Top- Down 设计方法的实现基础。
4 EDA 技术的基本设计方法
EDA 技术的每一次进步,都引起了设计层次
上的一个飞跃。物理级设计主要指IC 版图设计,
一般由半导体厂家完成, 对电子工程师没有太大
的意义, 因此这里重点介绍电路级设计和系统级
设计。
4.1 电路级设计
电子工程师接受系统设计任务后, 首先确
定设计方案, 同时要选择能实现该方案的合适元
器件, 然后根据具体的元器件设计电路原理图。
接着进行第一次仿真, 包括数字电路的逻辑模
拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分
析。系统在进行仿真时, 必须要有元件模型库的
支持, 计算机上模拟的输入输出波形代替了实际
电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要
是检验设计方案在功能方面的正确性。
仿真通过后, 根据原理图产生的电气连接网
络表进行PCB 板的自动布局布线。在制作PCB
板之前还可以进行后分析, 包括热分析、噪声及
窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等, 并且可
以将分析后的结果参数反标回电路图, 进行第二
次仿真, 也称为后仿真, 这一次仿真主要是检验
PCB 板在实际工作环境中的可行性。
由此可见, 电路级的EDA 技术使电子工程
师在实际的电子系统产生之前, 就可以全面地了
解系统的功能特性和物理特性, 从而将开发过程
中出现的缺陷消灭在设计阶段, 不仅缩短了开发
时间, 也降低了开发成本。
4.2 系统级设计
进入90 年代以来, 电子信息类产品的开发
出现了两个明显的特点: 一是产品的复杂程度加
深, 二是产品的上市时限紧迫。然而电路级设计
本质上是基于门级描述的单层次设计, 设计的所
有工作( 包括设计输入、仿真和分析、设计修改
等) 都是在基本逻辑门这一层次上进行的, 显然
这种设计方法不能适应新的形势, 为此引入了一
种高层次的电子设计方法, 也称为系统级的设计
方法。
高层次设计是一种“概念驱动式”设计, 设计
人员无须通过门级原理图描述电路, 而是针对设
计目标进行功能描述, 由于摆脱了电路细节的束
缚, 设计人员可以把精力集中于创造性的概念构
思与方案上, 一旦这些概念构思以高层次描述的
形式输入计算机后, EDA 系统就能以规则驱动
的方式自动完成整个设计。这样, 新的概念得以
迅速有效的成为产品, 大大缩短了产品的研制周
期。不仅如此, 高层次设计只是定义系统的行为
特性, 可以不涉及实现工艺, 在厂家综合库的支
持下, 利用综合优化工具可以将高层次描述转换
成针对某种工艺优化的网表, 工艺转化变得轻松
容易。
5 结束语
EDA 技术是电子设计领域的一场革命, 目
前正处于高速发展阶段, 每年都有新的EDA 工
具问世, 我国EDA 技术的应用水平长期落后于
发达国家, 因此, 广大电子工程人员应该尽早掌
握这一先进技术, 这不仅是提高设计效率的需
要, 更是我国电子工业在世界市场上生存、竟争
与发展的需要。
摘要:EDA技术是电子设计领域的一场革命, 目前正处于高速发展阶段, 每年都有新的EDA工具问世, 我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国
家, 因此, 广大电子工程人员应该尽早掌握这一先进技术, 这不仅是提高设计效率的需要, 更是我国电子工业在世界市场上生存、竟争与发展的需要。
关键词:EDA技术; 生产制造技术; 电子设计技术