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EDA技术的发展与应用(一)

【来源:PCB网城】【作者:admin】【时间: 2008-1-18 14:12:09】【点击:


摘要:随着微电子技术和计算机技术的不断发展,在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,它已成为当今电子技术发展的前沿之一。本文首先阐述了EDA技术的基本概念和发展过程,然后从几个不同的方面介绍ESDA的基本特征,最后着重分析EDA技术在两个不同层次上的工作流程,即电路级设计和系统级设计,引入了一种自顶向下的高层次电子设计方法。


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因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表,目前已进展到深亚微米阶段,可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。后者的核心就是EDA技术,EDA是指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包,主要能辅助进行三方面的设计工作:IC设计,电子电路设计,PCB设计。没有EDA技术的支持,想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的,反过来,生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

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。

  七十年代为CAD阶段,人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑、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,实现了工程设计,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 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,具体流程参见4.2节。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)的构造出一个新的系统,这样的设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔,不仅效率低、成本高而且容易出错。

  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,这一方面有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,同时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。

3.2 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。


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