EDA技術(shù)在現(xiàn)代電子領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用

EDA技術(shù)是20世紀(jì)90年代初迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù)，代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的最新發(fā)展方向，其是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)等多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)也是高度發(fā)達(dá)的信息化社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，其應(yīng)用也越來越廣泛，主要電子產(chǎn)業(yè)包括：通信工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、電子零組件工業(yè)、消費(fèi)性電子工業(yè)、光電及儀表工業(yè)等行業(yè)，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心，在現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。

1 EDA技術(shù)的發(fā)展

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升，其產(chǎn)生和發(fā)展，使產(chǎn)品的開發(fā)周期大大縮短，且性能和價(jià)格比得到很大程度的提高。歸納起來其發(fā)展主要分為四個(gè)階段：

(1)70年代為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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。

(2)80年代為計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)階段。與CAD相比，CAE除了有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)。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。

(3)90年代為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)階段。

(4)現(xiàn)代EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，在EDA軟件平臺(tái)上，根據(jù)硬件描述語言HDL完成的設(shè)計(jì)文件，能自動(dòng)地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，直至完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

2 EDA技術(shù)的主要內(nèi)容

ESDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，其基本特征是：設(shè)計(jì)人員按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，對(duì)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(jí)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。

“自頂向下”(Top-Down)的全新設(shè)計(jì)方法，首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人手，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(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)一級(jí)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(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)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。

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)。

在設(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lC廠家掩膜制造完成。這樣做的優(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。

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，其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(jí)描述方式相比，它更適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和邏輯門級(jí)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。

3 EDA技術(shù)的應(yīng)用

EDA技術(shù)近年來的發(fā)展非常迅速，在教學(xué)，科研，通信、國防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，發(fā)揮著越來越重要的作用。

(1)在教學(xué)方面

理工科(特別是電子信息工程)類的高校幾乎都開設(shè)了EDA課程。主要是讓學(xué)生了解EDA的基本原理和基本概念，掌握用VHDL硬件描述語言描述系統(tǒng)邏輯的方法，使用仿真軟件工具進(jìn)行電子電路課程的模擬仿真實(shí)驗(yàn)并在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)讓學(xué)生從事簡單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為今后工作打下基礎(chǔ)。

(2)在科研方面

主要利用電路仿真工具進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真;利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試;將FPGA器件的開發(fā)應(yīng)用到儀器設(shè)備中。在CDMA無線通信系統(tǒng)中，所有移動(dòng)手機(jī)和無線基站都工作在相同的頻譜，為區(qū)別不同的呼叫，每個(gè)手機(jī)有一個(gè)唯一的碼序列，CDMA基站必須能判別這些不同觀點(diǎn)的碼序列才能分辨出不同的傳呼進(jìn)程;這一判別是通過匹配濾波器的輸出顯示在輸人數(shù)據(jù)流中探測到特定的碼序列;FPGA能提供良好的濾波器設(shè)計(jì)，而且能完成DSP高級(jí)數(shù)據(jù)的處理功能，因而FPGA在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

(3)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面

從高性能的微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器一直到彩電、音響和電子電路等，EDA技術(shù)不單是應(yīng)用于前期的計(jì)算機(jī)模擬仿真，產(chǎn)品調(diào)試，而且在電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)，電路板的焊接過程中也起著很重要的作用。可以說EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。

4 結(jié)束語

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的開發(fā)日新月異，EDA技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的核心，其發(fā)展將是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)的一場重大的技術(shù)革命，同時(shí)，也對(duì)電子專業(yè)課程的教學(xué)和科研提出了更深更高的要求。掌握和普及EDA技術(shù)，將對(duì)我國電子技術(shù)的發(fā)展具有重要而深遠(yuǎn)的意義。