EDA技术的发展及其在现代数字系统中的应用.doc

EDA技术的发展及其在现代数字系统中的应用摘要：技术是一门涉及多学科的综合性技术，内容广泛本文概括的阐述了技术及应用的有关问题，比较全面介绍了EWB软件的功能和使用方法，包括最后还介绍了技术的应用及展望和在高校电类专业，新产品的开发，传统电机电设备的更新换代的普及情况关键词：技术 EWB软件前 言随着科学技术的发展,电子产品的更新换代进一步加快,现代电子设计技术已进入一个全新阶段。从中小规模的通用集成芯片构成电路系统,到应用微处理器、单片机构成数字系统，这一过程克服了中小规模集成电路在系统设计中的一些缺点，同时也为电子设计技术提供了一种软件设计的手段。然而，随着大规模和超大规模可编程逻辑器件，在EDA技术支持下的广泛应用，使电子系统设计发生了质的变化。现代电子设计已经进入了数字化时代，电子设计的自动化程度将越来越高，传统的电子设计方法、工具和器件将在更大的程度上被EDA所取代。-数字系统的实现方法也经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVISI的飞速发展过程。为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路(ASIC)逐渐取代了通用全硬件LSI电路。可编程逻辑器件(PLD)，尤其是现场可编程逻辑器件(FPLD)被大量地应用在ASIC的制作中。在可编程集成电路的开发过程中，EDA技术的出现带来了电子系统设计的革命性变化。一、EDA 技术1、EDA技术的概念EDA是 Electronnics Design Automation（电子设计自动化）的缩写。它是随着集成电路和计算机技术的飞速发展而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。EDA工具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新成果研制而成的计算机辅助设计通用软件包。EDA是电子设计技术的发展趋势，得用EDA工具可以代替设计院者完成电子系统设计中的大部分工作。EDA技术为电子主品的设计和开发缩短了时间，降低了成本，提高了系统的可靠性。2、 EDA技术的发展史EDA技术伴随计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计CAD(Computer Assist Design)、计算机辅助工程设计CAED(Computer Assist Engingeering Design)和电子系统设计自动化ESDA(Electronic System Design Automation)三个阶段。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。 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。 九十年代为ESDA阶段。尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化，这就是ESDA即电子系统设计自动化。 3、EDA技术的构成 现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛，从ASIC开发与应用角度看，包含以下子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等。 EDA主要采用并行工程和”自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，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VHDL、Verilog-HDL、ABEL等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，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。 EDA工具的发展经历了两个大的阶段：物理工具和逻辑工具。物理工具用来完成设计中的实际物理问题，如芯片布局、印刷电路板布线等。逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念，首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入，然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程，最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。现在常见的EDA工具有逻辑器、仿真器、检查/分析工具、优化/综合工具等。 目前，PLD已成为现代数字系统设计的主要手段。传统的编程技术是将PLD器件插在编程器上进行编程，而”在系统可编程”(ISP，即In-System Programmable)逻辑器件的问世，将可编程器件的优越性发挥到了极致。ISP技术就是直接在用户设计目标系统中或线路板上对PLD器件进行编程的技术。打破了使用PLD必先编程后装配的惯例，可以先装配后编程，成为产品后还可反复编程。ISP允许用户”在系统中” 编程和修改逻辑，给使用者提供了在不修改系统硬件设计的条件下重构系统的能力和硬件升级能力，使硬件修改变得像软件修改一样方便，系统的可靠性因此而提高。 （二）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。这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与ESDA基本特征有关的几个概念。 2.1 “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。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 2.2 ASIC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。 可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于：设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片,无须IC厂家的参与，大大缩短了开发周期。 可编程逻辑器件自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门/片，它将掩膜ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的转由掩膜ASIC实现，因此开发风险也大为降低。 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。 2.3 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。另外，VHDL还具有以下优点： VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，只需花较少的精力用于物理实现。 VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。 VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。 VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。 2.4 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。 （三） 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,可以用图1说明。 图1 EDA技术设计层次的变化物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成，对电子工程师并没有太大的意义，因此本文重点介绍电路级设计和系统级设计。 3 3.1电路级设计 电路级设计工作流程如图2所示，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。 图2 电路级设计工作流程仿真通过后，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。 3.2 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。具体的设计流程见图3。 高层次设计步骤如下： 第一步： 按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。 第二步： 输入VHDL代码，这是高层次设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式（框图，状态图等），这种输入方式具有直观、容易理解的优点。 图3 系统级设计工作流程第三步： 将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步： 利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件,这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。 综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。 第五步： 利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。适配完成后，产生多项设计结果：适配报告，包括芯片内部资源利用情况，设计的布尔方程描述情况等；适配后的仿真模型；器件编程文件。根据适配后的仿真模型，可以进行适配后的时序仿真，因为已经得到器件的实际硬件特性（如时延特性），所以仿真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果仿真结果达不到设计要求，就需要修改VHDL源代码或选择不同速度品质的器件，直至满足设计要求。 第六步： 将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。 （四）十进制加法计数器与数字显示译码器设计1. 设计要求 要求设计一个二进制加法计数器，时钟上升沿触发，可进行复位(即清零)和时钟使能控制，计数结果经七段显示译码器译码后驱动七段共阴极数码管显示。框图如下： 2. 具体实现 以上设计的具体实现是使用可编程逻辑设计软件平台。本设计使用的是Altera公司在Windows环境下开发的MAXPLUS，是EDA软件工具。进行逻辑设计的过程主要有四个阶段。 设计输入 EDA工具的重要特征之一是支持多种输入方式，如原理图输入、HDL硬件描述语言输入、状态级输入等，MAXPLUS能很好支持这些输入方式。本设计底层的计数器、译码器模块由VHDL语言实现，顶层设计采用原理图输入方式实现。 具体编程包括： 十进制加法计数器cnt10.vhd的VHDL源程序(略)； 段译码器decl.vhd的VHDL源程序(略)。 设计处理 完成实验电路输入后，再对电路进行编译。MAXPLUS提供功能强大的编译器。在MAXPLUS编译器中有逻辑综合模块，可对逻辑设计化简，如除去冗余逻辑；有试配模块，将逻辑设计分配至一个或多个器件，实现自动布局布线；有装配模块，将已编译的设计创建一个或多个编程目标文件。MAXPLUS提供了良好的逻辑综合与优化功能，能将设计的逻辑级电路图自动地转换为门级电路，并生成相应的网表文件、时序分析文件和各种报表。若设计没有错误，最终可生成可以编程下载的.sof文件。 设计校验 在设计完成后，要对电路进行功能仿真和时序仿真。功能仿真可以使用向量输入语言定义输入激励，也可以波形编辑器直接输入波形。仿真结果可以在波形编辑器或文本编辑器中看到，也可打印出波形文件或文本文件。时序仿真可以确定器件引脚上的建立时间和保持时间，可以交互式地指定命令，或通过文本命令文件完成指定的仿真任务。 器件编程 当确定设计工作已基本成功时，即可通过编程电缆数据流来进行硬件验证。将编译后的.sof文件通过编程电缆到ISP。本设计采用的是Altera公司的EPM7128SLC84芯片。用示波器测试该ISP上波形与计算机仿真波形是一致的。验证合格后，总体设计工作即圆满完成。 通过此设计的流程讲述可知，EDA技术及其工具在数字电路系统中正发挥着越来越重要的作用。随着现场可编程逻辑器件的逐渐兴起，VHDL等通用性好、移植性强的硬件描述语言的普及，ASIC技术的不断完善，现代电子系统的设计已经再也离不开EDA技术的帮助了。二、EDA的应用EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。科研方面主要利用电路仿真工具（EWB或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA有应用。另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图，汽车和飞机的模型、电影特技等领域。三、EDA技术的发展趋势从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工具多样、软件功能强大。中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员工发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信