电子电路设计方法的变革EDA技术及其教学相关问题的探讨

电子电路设计方法的变革EDA技术及其教学相关问题的探讨

随着大规模电路和计算机科学的快速发展，电子开路设计方法发生了根本性的变化。现代电子技术的核心是eda（电子建筑设计的自我征服）技术。1eda技术1.1eda技术的发展EDA技术就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、逻辑下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术,或称为IES/ASIC自动设计技术。广义的EDA技术还包括计算机辅助分析CAA(ComputerAidedAnalysis)技术(如PSPice、EWB、Matlab)、印制电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术(如Protel,orCAD),但CAA和PCB-CAD不具备逻辑综合和逻辑适配的功能。在过去的30年中,EDA技术的发展大致可分为以下3个阶段。(1)20世纪70年代,集成电路制作方面MOS工艺得到广泛应用,可编程逻辑技术及其器件问世;其后是CAD(ComputerAidedDesign)概念的出现,人们开始应用计算机取代手工来辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。(2)20世纪80年代,集成电路设计进入了CMOS时代,复杂可编程逻辑器件已进入商业应用。80年代末,出现了FPGA(Field-ProgrammableGateArray)、CAE(ComputerAidedEngineering)和CAD技术的广泛应用,它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布局布线及PCB分析,以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和化简等方面担任了重要的角色,特别是各种硬件描述语言的出现及其在应用和标准化方面的重大进步,为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。(3)20世纪90年代,硬件描述语言的标准化得到了进一步的确立。CAE,CAA,CAD,CAM(ComputerAidManufacturing)在电子领域获得了更广泛的应用;集成电路设计进入了超深亚微米阶段,大规模可编程逻辑器件的陆续问世,以及基于计算机技术面向用户的低成本大规模ASIC(Application-SpecificIntegratedCircuits)设计技术的应用,促进了EDA技术的形成。更重要的是,各EDA软件设计公司致力于推出兼容各种硬件实现方案和支持硬件描述语言的EDA工具软件的研究,都有效地将EDA技术推向成熟。此阶段,EDA教育也得到空前重视和快速发展。1.2eda的综合应用EDA技术涉及面很广,内容丰富。从教学和实用的角度看,主要应掌握如下4个方面的内容:①大规模可编程逻辑器件;②硬件描述语言;③软件开发工具;④实验开发系统。其中,大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体,硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段,软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动设计工具,实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。对迅速发展的EDA技术的综合应用,从EDA技术的综合应用系统的深度来分,分为下列3个层次:①功能电路模块的设计;②算法实现电路模型的设计;③片上系统/嵌入式系统/现代DSP(DigitalSignalProcessing)系统的设计。从EDA技术综合应用系统的最终硬件构成来分,已出现了下列6种形式:①CPLD(Complexprogrammablelogicdevice)/FPGA系统;②CPLD/FPGA+MCU系统;③CPLD/FPGA+专用DSP处理器系统;④基于FPGA实现的现代DSP系统;⑤基于FPGA实现的片上系统(SOC);⑥基于FPGA实现得到嵌入式系统。EDA主要完成下面3个方面的设计工作:印制电路板(PCB)设计、可编程(PLD-programmablelogicdevice)数字系统设计(包含:FPGA、CPLD、ISP、SOPC等)、IC设计(定制ASIC,SOC等)。从设计目标来看,EDA就是设计PCB、PLD以及IC版图的工具。其中,PCB相对简单些,其关键技术是高速信号环境、多层PCB以及保证良好的信号完整性设计;而利用PLD器件进行系统设计已经成为现代数字系统的主要手段;而IC设计工具是EDA技术的核心,大规模集成电路版图的设计集中体现了EDA的优势。1.3eda的基本特征①用软件设计的方法来设计硬件;②用软件方法设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的;③设计过程中可用有关的软件来仿真;④系统可现场编程、在线升级;⑤整个系统可集成在一个芯片上,体积小,功耗低,可靠性高;⑥从以前的“组合设计”转向真正的“自由设计”;⑦设计的移植性好,效率高;⑧适合分工设计,团体协作。EDA的基本特征可概括为采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。EDA采用从顶层到底层的设计方法,基本功能模块如图1所示,主要有系统级的设计与仿真、电路级的设计与仿真、版图级的设计与验证等。1.4eda阶段的工具EDA作为软件工具来说,它是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具,该工具可以使设计复杂的电路和系统成为可能。90年代以后,微电子技术以惊人的速度发展,在一个芯片上可以集成几百万只乃至上千万只晶体管。这给EDA技术提出了新的挑战,大大促进了EDA技术的发展,而且产生了许多规模较大的EDA工具软件系统。这个阶段才真正称得上是EDA时期。目前进入我国并具有广泛影响的EDA工具主要有:MultiSIM7、Protel、Viewlogio、Mentor、Synopsys、PCBWId、Cadence、MicmSim等。它们可分为电路仿真工具、电路板级设计工具、可编程逻辑器件开发工具。电路仿真工具:这类工具用于模拟电路和数字电路的仿真,如Spice/PSpice、XSpice、Tina、EWB、MultiSIM等;电路板级设计工具:常见的是Protel99SE、OrCAD、PowerPCB等;可编程逻辑器件开发工具:常见的有MaxplusII、QuartusII、IspLEVER、Fundation、ISE、Matlab/DSPBuilder等。1.4.1spice、ewb和多功能sim的电路模拟工具(1)系统的模拟和数字电路的混合仿真应用在众多的电路设计与仿真软件中,影响面最大、使用最广的当属由美国加州柏克莱大学推出的Spice(Simulationprogramwithcircuitemphasis)程序,它可实现对模拟和数字电路的混合仿真,以它为基础产生了许多仿真应用软件。例如,由美国OrCAD公司推出,适应个人微机应用的PSpice软件;1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成,适用于微机的电路仿真和设计软件PSpice。(2)bench软件用于电子线路设计仿真的“虚拟电子工作台”EWB(Electricsworkbench)是在Spice基础上开发出的一个用于仿真设计软件,它由加拿大Interactiveimagetechnologies公司推出。相对其它EDA软件而言,它是个小巧易用的软件,能进行模拟电路、数字电路以及混合电路的仿真。(3)般仪器仿真。根据现代信息技术,一般可选择数字模拟、模拟等Protel99SE对模拟电路的仿真和数模混合电路的仿真较好,但是使用不便。而PSpice软件的分析功能全,但是不能象MultiSIM软件一样的使用一些分析仪器。MultiSIM软件方便易用,不仅能够仿真一般的数字模拟电路,而且能仿真继电器控制中的梯形图,但是价格昂贵。一般对于模拟电子技术教学,可以选择MultiSIM、Spice或Protel99SE;对于数字电子技术教学,可以选择MultiSIM、MaxplusII或IspLEVER。而对于硬件描述语言教学,除选用各个可编程逻辑器件生产公司提供的软件之外,还可以选择SYNPLIFYPRO、ModelSim等软件。1.4.2模拟数字混合电路仿真和fpga土地模型设计它是国内最流行、使用最广泛的一种印制电路板设计的首选软件,由澳大利亚ProtdTechnology公司出品,过去只是用来进行原理图输入和PCB版图设计,从Protel98开始,加入了模拟数字混合电路仿真模块和可编程逻辑器件设计模块。1999年,Protel推出了功能更加强大的EDA综合设计环境Protel99,它将EDA的全部内容整合为一体,成为完整的EDA软件,因而该软件发展潜力很大,但它最具特色和最强大的功能仍是原理图输人和PCB版图设计。1.4.3quartusiii软件目前,比较流行的、主流厂家的EDA软件工具有Altera公司提供的QuartusII软件;Lattice公司为其器件开发提供的IspLEVER;Xilinx公司的ISE。它们通常都支持硬件描述语言(如ABEL、VHDL)及原理图设计输入。1.5奠定了坚实的物质基础高速发展的大规模可编程逻辑器件为EDA技术发展奠定了坚实的物质基础,其最明显的特点是高集成度、高速度和高可靠性。它将广泛应用于专用集成电路(ASIC)的开发,是现代电子技术的发展趋势。1.5.1fpga系统的实时动态分析随着微电子的发展,系统设计师们更愿意短周期、低成本地设计自己的专用集成电路,于是出现了现场可编辑逻辑器件,其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD),它们的共性是都具有用户现场可编程特性,都支持边界扫描技术,但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。它们面向用户,具有极大的灵活性和通用性,成为可编程专用IC,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的条件下重构系统的能力和硬件升级的能力,使硬件修改变得像软件修改一样方便。当产品定型和产量扩大后,可将在生产中得到充分检验并经多次修改完善的电子设计迅速地进行ASIC投产。随着集成电路的发展,用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑,因而也被用于对CPU的模拟。用户对FPGA的编程数据放在Flash芯片中,通过上电加载到FPGA中,对其进行初始化。也可在线对其编程,实现系统在线重构,这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU,这是当今研究的热门领域。随着FPGA在并行操作方面的优势,相当一部分DSP算法放到FPGA上实现,这需要将设计和算法转换成HDL。于是EDA工具设计商着手开发这样的转换工具,如Synplicify的SynplifyDSP工具就能完成这样的翻译工作。FPGA技术的发展速度明显快于ASIC,随着65nm工艺FPGA芯片的推出,加上市场对设计灵活性和上市时间迫切的要求,FPGA的应用领域不断扩大,尤其是消费电子和汽车电子领域。Synplicity公司的资料显示,该公司广泛分布于消费电子、电信、计算机和设计服务领域的客户中,有45%的客户采用FPGA设计产品,而采用传统Cell-basedASIC的客户占32%,还有23%的客户使用门阵列。1.5.2编程器件sopc近年来,随着集成芯片制造技术的发展,可编程逻辑器件PLD在速度和集成度两方面得到了飞速提高。Altera公司在原有器件的基础上推出了一系列新型器件,包括CPLD(MaxMaxII)、低成本FPGA(CycloneCycloneII)、高密度FPGA(StratixIIStratixGx)以及结构化ASIC(HardCopyStratix),这些器件成为SOPC设计的基础。它们具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等特点,其应用领域不断扩大。目前可编程器件的大公司主要有Xilinx、Altera和Lattic。最近几年,Xilinx和Altera在FPGA领域呈现两雄争霸的态势。Xilinx1998年推出高性能Virtex系列产品,并在该高性能Virtex系列的推动下,Xilinx的FPGA产品进入了更广泛的消费电子产品中,Xilinx在与Altera的竞争中占了上风。在DSP领域,新的竞争压力随之而来。DSP应用非常广泛,如MP3播放器、蜂窝电话和家庭娱乐系统。Xilinx和Altera进军DSP市场的关键优势是FPGA可以在门级控制电路的逻辑关系。FPGA通过同时执行所有算法的子函数,速度能达到专用DSP的1000倍。由于DSP技术对Xilinx和Altera将来的成功至关重要,因此,双方都在积极宣传一系列面向DSP的FPGA、内核、开发工具包和其他产品及服务。2关于sda教育的讨论2.1eda的课程特点EDA技术是工业和信息部软件与集成电路促进中心的“国家信息技术紧缺人才培养工程”重点培训内容。此外,对美国一些著名大学本科电子与计算机实验室建设情况的调查研究结果表明,许多著名院校基于PLD的EDA技术在本科教学中有两个明显的特点:①各专业中EDA课程的普及性,即在电子通信、工控乃至生物医学工程、计算机等非电类专业都包含了EDA的教学实验内容;②在实验中EDA实验成为主流,大部分传统的实验如数字电路、计算机组成、接口、通信、处理器等实验内容,都融入了EDA实验,并更多地注重创新性实验。这显然是科技发展与市场需求的结果。当前由于集成电路技术的高速发展和计算机技术在各个领域的深人应用,已使高等教育面临新的挑战,为了使学生掌握现代电子设计方法,培养适应21世纪科学技术发展的工程技术人才,我们黄石理工学院计算机学院已将EDA引人计算机硬件课程体系教学之中,采用Altera公司的MaxplusII及QuartusII可编程逻辑设计环境,进行相关课程教学。2.2其他方面的实验工作(1)建立EDA课程体系,并把EDA技术融人计算机硬件相关课程教学中。目前,作为现代电子设计最新技术的综合体现的EDA技术,在我国进行教育和研究只有几年的历史。它是电子信息专业重要的课程,自动化及其相关专业应以电子线路图及PCB版图设计工具Protel为重点,使学生熟练掌握在计算机上完成电子线路的输入与设计、PCB版图的自动化设计;在EDA仿真技术方面,则更应当突出具有模拟/数字及棍合型电路设计与仿真的电子工作平台EWB的教学。与此不同的是,在计算机相关专业则应侧重于硬件描述语言、CPLD/PPGA、嵌人式系统和可编程片上系统的教学;在EDA仿真技术方面,考虑到计算机学科的特点,应突出具有强大数值计算和分析功能的Matlab/DSPBuilder等教学。此外,利用EDA技术的通用性,将数字电路、模拟电路、计算机组成原理、微机原理与接口、单片机原理、DSP原理等课程的实验项目采用EDA技术仿真进行,要求学生自主设计完成。其中,数字逻辑部分,采用MaxplusII或QuartusII完成基本逻辑门、触发器、组合/时序逻辑的实验;采用CPLD完成常用功能模块的实验、可编程逻辑器件的实验;采用CPLD完成计算机组成原理的计算机内部功能部件、整机计算机系统的实验;采用CPLD完成计算机接口和通信、计算机体系结构等课程的实验。在教材建设方面,因为传统教材的滞后性,应结合具体情况,建议适当采用自编教材,尤其是实验实训方面的教材。(2)在EDA教学内容、方式和手段方面。首先,EDA教学的重点如下:对大规模可编程逻辑器件,主要了解其分类、基本结构、工作原理、各厂家产品系列、性能指标及如何选用,而对于具体结构不必研究过细;对硬件描述语言,除了掌握基本语法规定外,更重要的是理解VHDL的“精髓”(软件的强数据类型与硬件电路的唯一性,硬件行为的并行性决定了VHDL语言的并行性,软件仿真的顺序性与实际行为的并行性;要掌握系统的分析与建模方法,能够将各种语法规定熟练地运用于自己的设计中);对于软件开发工具,应熟练掌握从源程序的编辑、逻辑综合、逻辑适配以及各种仿真、