關(guān)于EDA技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升，它已成為當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的前沿之一。那么EDA的技術(shù)在生活中的發(fā)展和趨勢是怎么樣的呢?下面跟yjbys小編一起來看看吧!
本文首先闡述了EDA技術(shù)的基本概念和發(fā)展過程，然后從幾個(gè)不同的方面介紹ESDA的基本特征，最后著重分析EDA技術(shù)在兩個(gè)不同層次上的工作流程，即電路級設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，引入了一種自頂向下的高層次電子設(shè)計(jì)方法。
一、前言
人類社會(huì)已進(jìn)入到高度發(fā)達(dá)的信息化社會(huì)，信息社會(huì)的發(fā)展離不開電子產(chǎn)品的進(jìn)步。現(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時(shí)，價(jià)格卻一直呈下降趨勢，而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來越快，實(shí)現(xiàn)這種進(jìn)步的主要因素是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。前者以微細(xì)加工技術(shù)為代表，目前已進(jìn)展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬個(gè)晶體管。后者的核心就是EDA技術(shù)，EDA是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作：IC設(shè)計(jì),電子電路設(shè)計(jì),PCB設(shè)計(jì)。沒有EDA技術(shù)的支持，想要完成上述超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造是不可想象的，反過來，生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步又必將對EDA技術(shù)提出新的要求。
二、EDA技術(shù)的發(fā)展
回顧近30年電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程，可將EDA技術(shù)分為三個(gè)階段。
七十年代為CAD階段，人們開始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯、PCB布局布線，取代了手工操作，產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念。
八十年代為CAE階段，與CAD相比，除了純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)，這就是計(jì)算機(jī)輔助工程的概念。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動(dòng)布局布線，PCB后分析。
九十年代為ESDA階段，盡管CAD/CAE技術(shù)取得了巨大的成功，但并沒有把人從繁重的設(shè)計(jì)工作中徹底解放出來。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，自動(dòng)化和智能化程度還不高，各種EDA軟件界面千差萬別，學(xué)習(xí)使用困難，并且互不兼容，直接影響到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間的銜接�；谝陨喜蛔悖藗冮_始追求：貫徹整個(gè)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化，這就是ESDA即電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。
三、ESDA技術(shù)的基本特征
ESDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：設(shè)計(jì)人員按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語言(HDL)完成系統(tǒng)行為級設(shè)計(jì)，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。這樣的設(shè)計(jì)方法被稱為高層次的電子設(shè)計(jì)方法。下面介紹與ESDA基本特征有關(guān)的幾個(gè)概念。
1.“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法
10年前，電子設(shè)計(jì)的基本思路還是選擇標(biāo)準(zhǔn)集成電路“自底向上”(Bottom–Up)的構(gòu)造出一個(gè)新的系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)方法就如同一磚一瓦建造金字塔，不僅效率低、成本高而且容易出錯(cuò)。
高層次設(shè)計(jì)給我們提供了一種“自頂向下”(Top–Down)的全新設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在方框圖一級進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級進(jìn)行驗(yàn)證。然后用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)表，其對應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐贰Ｓ捎谠O(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，同時(shí)也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。
2.ASIC設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電子產(chǎn)品的復(fù)雜度日益加深，一個(gè)電子系統(tǒng)可能由數(shù)萬個(gè)中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，這就帶來了體積大、功耗大、可靠性差的問題，解決這一問題的有效方法就是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuits)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。ASIC按照設(shè)計(jì)方法的不同可分為：全定制ASIC，半定制ASIC，可編程ASIC(也稱為可編程邏輯器件)。
設(shè)計(jì)全定制ASIC芯片時(shí)，設(shè)計(jì)師要定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規(guī)則，最后將設(shè)計(jì)結(jié)果交由IC廠家掩膜制造完成。優(yōu)點(diǎn)是：芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低。缺點(diǎn)是：開發(fā)周期長，費(fèi)用高，只適合大批量產(chǎn)品開發(fā)。
半定制ASIC芯片的版圖設(shè)計(jì)方法有所不同，分為門陣列設(shè)計(jì)法和標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)法，這兩種方法都是約束性的設(shè)計(jì)方法，其主要目的就是簡化設(shè)計(jì)，以犧牲芯片性能為代價(jià)來縮短開發(fā)時(shí)間。
可編程邏輯芯片與上述掩膜ASIC的不同之處在于：設(shè)計(jì)人員完成版圖設(shè)計(jì)后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)就可以燒制出自己的芯片,無須IC廠家的參與，大大縮短了開發(fā)周期。
可編程邏輯器件自七十年代以來，經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個(gè)發(fā)展階段，其中CPLD/FPGA屬高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達(dá)200萬門/片，它將掩膜ASIC集成度高的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，而當(dāng)市場擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易的轉(zhuǎn)由掩膜ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)也大為降低。
上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)載體。
3.硬件描述語言
硬件描述語言(HDL—Hardware Description Language)是一種用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言，它用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式，與傳統(tǒng)的門級描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如一個(gè)32位的加法器，利用圖形輸入軟件需要輸入500至1000個(gè)門，而利用VHDL語言只需要書寫一行A=B+C即可，而且VHDL語言可讀性強(qiáng)，易于修改和發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。早期的硬件描述語言，如ABEL–HDL、AHDL，由不同的EDA廠商開發(fā)，互不兼容，而且不支持多層次設(shè)計(jì)，層次間翻譯工作要由人工完成。為了克服以上不足，1985年美國國防部正式推出了VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language)語言，1987年IEEE采納VHDL為硬件描述語言標(biāo)準(zhǔn)(IEEE STD-1076)。
VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個(gè)設(shè)計(jì)層次,支持結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、行為三種描述形式的混合描述，因此VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個(gè)自頂向下或自底向上的電路設(shè)計(jì)過程都可以用VHDL來完成。VHDL還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)VHDL的寬范圍描述能力使它成為高層次設(shè)計(jì)的核心，將設(shè)計(jì)人員的工作重心提高到了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，而化較少的精力于物理實(shí)現(xiàn)。
(2)VHDL可以用簡潔明確的代碼描述來進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計(jì)，靈活且方便，而且也便于設(shè)計(jì)結(jié)果的交流、保存和重用。
(3)VHDL的設(shè)計(jì)不依賴于特定的器件，方便了工藝的轉(zhuǎn)換。
(4)VHDL是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)語言，為眾多的EDA廠商支持，因此移植性好。
4.系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)
EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)(Framework)是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范，目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu)，如Cadence公司的Design Framework，Mentor公司的Falcon Framework，而且這些框架結(jié)構(gòu)都遵守國際CFI組織(CAD Framework Initiative)制定的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Framework能將來自不同EDA廠商的工具軟件進(jìn)行優(yōu)化組合，集成在一個(gè)易于管理的統(tǒng)一的環(huán)境之下，而且還支持任務(wù)之間、設(shè)計(jì)師之間以及整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中信息的傳輸與共享，是并行工程和Top–Down設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。
四、EDA技術(shù)的基本設(shè)計(jì)方法
EDA技術(shù)的每一次進(jìn)步,都引起了設(shè)計(jì)層次上的一個(gè)飛躍,物理級設(shè)計(jì)主要指IC版圖設(shè)計(jì)，一般由半導(dǎo)體廠家完成，對電子工程師沒有太大的意義，因此本文重點(diǎn)介紹電路級設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)。
1.電路級設(shè)計(jì)
電子工程師接受系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先確定設(shè)計(jì)方案，同時(shí)要選擇能實(shí)現(xiàn)該方案的合適元器件，然后根據(jù)具體的元器件設(shè)計(jì)電路原理圖。接著進(jìn)行第一次仿真，包括數(shù)字電路的邏輯模擬、故障分析，模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析。系統(tǒng)在進(jìn)行仿真時(shí)，必須要有元件模型庫的支持，計(jì)算機(jī)上模擬的輸入輸出波形代替了實(shí)際電路調(diào)試中的信號源和示波器。這一次仿真主要是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案在功能方面的正確性。
仿真通過后，根據(jù)原理圖產(chǎn)生的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行PCB板的自動(dòng)布局布線。在制作PCB板之前還可以進(jìn)行后分析，包括熱分析、噪聲及竄擾分析、電磁兼容分析、可靠性分析等，并且可以將分析后的結(jié)果參數(shù)反標(biāo)回電路圖，進(jìn)行第二次仿真，也稱為后仿真，這一次仿真主要是檢驗(yàn)PCB板在實(shí)際工作環(huán)境中的可行性。
由此可見，電路級的EDA技術(shù)使電子工程師在實(shí)際的電子系統(tǒng)產(chǎn)生前，就可以全面的了解系統(tǒng)的功能特性核物理特性，從而將開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)消滅在設(shè)計(jì)階段，縮短了開發(fā)時(shí)間，降低了開發(fā)成本。
2.系統(tǒng)級設(shè)計(jì)
進(jìn)入90年代以來，電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)明顯出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是產(chǎn)品的復(fù)雜程度加深;二是產(chǎn)品的上市時(shí)限緊迫，然而電路級設(shè)計(jì)本質(zhì)上是基于門級描述的單層次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的所有工作(包括設(shè)計(jì)輸入，仿真和分析，設(shè)計(jì)修改等)都是在基本邏輯門這一層次上進(jìn)行的，顯然這種設(shè)計(jì)方法不能適應(yīng)新的形勢，為此引入了一種高層次的電子設(shè)計(jì)方法，也稱為系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)方法。
高層次設(shè)計(jì)是一種“概念驅(qū)動(dòng)式”設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員無須通過門級原理圖描述電路，而是針對設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述，由于擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，設(shè)計(jì)人員可以把精力集中于創(chuàng)造性的方案與概念構(gòu)思上，一旦這些概念構(gòu)思以高層次描述的形式輸入計(jì)算機(jī)后，EDA系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)完成整個(gè)設(shè)計(jì)。這樣，新的概念得以迅速有效的成為產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。不僅如此，高層次設(shè)計(jì)只是定義系統(tǒng)的行為特性，可以不涉及實(shí)現(xiàn)工藝，在廠家綜合庫的支持下，利用綜合優(yōu)化工具可以將高層次描述轉(zhuǎn)換成針對某種工藝優(yōu)化的網(wǎng)表，工藝轉(zhuǎn)化變得輕松容易。
高層次設(shè)計(jì)步驟如下：
第一步：
按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)劃分。
第二步：
輸入VHDL代碼，這是高層次設(shè)計(jì)中最為普遍的輸入方式。此外，還可以采用圖形輸入方式(框圖，狀態(tài)圖等)，這種輸入方式具有直觀、容易理解的優(yōu)點(diǎn)。
第三步：
將以上的設(shè)計(jì)輸入編譯成標(biāo)準(zhǔn)的VHDL文件。對于大型設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行代碼級的功能仿真，主要是檢驗(yàn)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的正確性，因?yàn)閷τ诖笮驮O(shè)計(jì)，綜合、適配要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，在綜合前對源代碼仿真，就可以大大減少設(shè)計(jì)重復(fù)的次數(shù)和時(shí)間，一般情況下，可略去這一仿真步驟。
第四步：
利用綜合器對VHDL源代碼進(jìn)行綜合優(yōu)化處理，生成門級描述的網(wǎng)表文件,這是將高層次描述轉(zhuǎn)化硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合優(yōu)化是針對ASIC芯片供應(yīng)商的某一產(chǎn)品系列進(jìn)行的，所以綜合的過程要在相應(yīng)的廠家綜合庫支持下才能完成。綜合后，可利用產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進(jìn)行適配前的時(shí)序仿真，仿真過程不涉及具體器件的硬件特性，是較為粗略的，一般設(shè)計(jì)，這一仿真步驟也可略去。
第五步：
利用適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對某一具體的目標(biāo)器件進(jìn)行邏輯映射操作，包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化、布局布線。適配完成后，產(chǎn)生多項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果：①適配報(bào)告，包括芯片內(nèi)部資源利用情況，設(shè)計(jì)的布爾方程描述情況等;②適配后的仿真模型;③器件編程文件。根據(jù)適配后的仿真模型，可以進(jìn)行適配后的時(shí)序仿真，因?yàn)橐呀?jīng)得到器件的實(shí)際硬件特性(如時(shí)延特性)，所以仿真結(jié)果能比較精確的預(yù)期未來芯片的實(shí)際性能。如果仿真結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，就需要修改VHDL源代碼或選擇不同速度品質(zhì)的器件，直至滿足設(shè)計(jì)要求。
第六步：
將適配器產(chǎn)生的器件編程文件通過編程器或下載電纜載入到目標(biāo)芯片F(xiàn)PGA或CPLD中。如果是大批量產(chǎn)品開發(fā)，通過更換相應(yīng)的廠家綜合庫，可以很容易轉(zhuǎn)由ASIC形式實(shí)現(xiàn)。
五、結(jié)束語
EDA技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的EDA工具問世，然而，我國EDA技術(shù)的應(yīng)用水平長期落后于發(fā)達(dá)國家。因此，廣大電子工程人員要盡早掌握這一先進(jìn)技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場上生存、竟?fàn)幣c發(fā)展的需要。
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