電子系統(tǒng)設計自動化方法和設計環(huán)境的研究

摘 要： 當今電子系統(tǒng)設計環(huán)境采用自上向下的設計方法，在設計周期、系統(tǒng)性能和成本三者之間取得了更好的設計權衡。本文在吸取現(xiàn)有設計方法的基礎上，提出了一個新的設計流程，建立了一個新的設計環(huán)境ASEDA。

關鍵詞：EDA設計 環(huán)境 仿真

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/226437.htm

引 言

　　隨著計算機及其相關技術的發(fā)展，一門嶄新的技術正在世界范圍內(nèi)興起，這就是CAD（Computer Aided Design）技術。CAD技術是電子信息技術發(fā)展的杰出成果，它的發(fā)展與應用正引發(fā)著一場工業(yè)設計和制造領域的革命。EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術，就是采用CAD技術進行電子系統(tǒng)和專用集成電路設計的技術。

　　EDA技術可面向三個不同的層次，即系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級。進入20世紀90年代以來，EDA技術逐漸以高級語言描述、系統(tǒng)仿真（system simulation）和綜合優(yōu)化（synthesis）為特征。此時的EDA技術經(jīng)常被稱為ESDA(Electronics System Design Automation)。

　　傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設計基本上采用自底向上（bottom-up）的設計方法，利用SPICE完成模擬驗證。這種方法要求設計者具有豐富的設計經(jīng)驗。大部分電子系統(tǒng)的設計工作需要設計專家人工完成，同時任何一次設計方案的修改，都意味著一次詳細設計過程的重復，再加上模擬驗證速度較慢，因此無論在設計時間還是在設計精度上都不十分令人滿意。因此，采用人工的自底向上設計方法，已很難滿足當今電子系統(tǒng)的設計要求；而現(xiàn)在EDA所采用的自頂向下（top-down）的設計方法則有效地實現(xiàn)了設計周期、系統(tǒng)性能和系統(tǒng)成本之間的最佳權衡。這是一種層次化的設計方法。設計在盡可能高的層次上開始進行，從而使設計者能在更大的空間內(nèi)進行設計搜索，理解整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，完成設計的權衡和相關的設計決策。自上而下的設計方法，首先從系統(tǒng)設計入手，從頂層進行功能方框圖劃分和結(jié)構設計，這時的設計與工藝無關。在方框圖一級先進行仿真和糾錯，用VHDL語言對高層次的系統(tǒng)行為級進行描述并在系統(tǒng)級進行驗證。然后，用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的EDIF（Electronic Design Interchange Format，電子設計轉(zhuǎn)換格式）網(wǎng)表，對應的物理實現(xiàn)級可以是PCB板或者是ASIC芯片。設計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次完成，這一方面有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，同時也減少了邏輯仿真的工作量。目前，一般的硬件平臺已經(jīng)可以支持系統(tǒng)設計的CAD軟件的運行。自頂向下的設計方法方便了從系統(tǒng)級劃分和管理整個項目；簡化了設計隊伍的管理；減少了不必要的重復；提高了設計的一次成功率。同時，自頂向下的設計方法還提供整個設計過程中的各設計階段的統(tǒng)一規(guī)范管理，包括系統(tǒng)的測試和各層次的模擬驗證。

　　一般認為衡量一個電子設計自動化系統(tǒng)的優(yōu)劣主要有以下三個方面的標準。① 一般性：用該自動化設計系統(tǒng)成功實現(xiàn)的電路和性能要求范圍；② 精確性：使用該自動化設計系統(tǒng)能達到的設計精度；③ 有效性：把電路設計編譯成設計系統(tǒng)的輸入格式所用的時間和綜合優(yōu)化所用的CPU時間。 當今流行的電子系統(tǒng)設計環(huán)境還存在一些弊端：層次單一；庫單元十分有限，而且結(jié)構固定，不易修改和擴充；自動化程度低，需要大量的人工設計；核心的算法在設計時間和設計精度上都不能達到理想的要求。針對這些弊端，我們借鑒以前已有設計環(huán)境的長處，提出了一個新穎的電子系統(tǒng)設計環(huán)境即ASEDA。
　

一、 ASEDA設計環(huán)境及流程
　

　　在ASEDA中，用符號模擬技術建立電路的符號模型。由于符號模擬技術對電路形式和性能要求沒有特殊的約定，從而解決了一般性的問題。電路議程的自動化生成，使得預準備的時間大大縮短；層次化的宏模型庫及其自動化建立工具使得綜合優(yōu)化的時間得到大幅度減少，解決了有效性的問題。電路的宏模型用非參數(shù)統(tǒng)計分析方法建立，解決了以前線性回歸模型函數(shù)形式固定帶來的精確性差的問題。

　　由于最新MATLAB for Windows的4.0版是一種功能強、效率高、便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了大量的MATLAB配套工具箱，有優(yōu)化工具箱（optimization toolbox）、信號處理工具箱（signal processing toolbox）、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱(neural network toolbox)、控制系統(tǒng)工具箱(control system toolbox)等。此外，它還提供了與其它語言的接口（C、FORTRAN等），使得其功能日益強大。因此在 ASEDA中，被用來進行系統(tǒng)級仿真。

　　電子系統(tǒng)自動化設計的設計流程可以抽象為圖1所示的模式。首先，設計師根據(jù)所要求設計的電子系統(tǒng)的性能描述和設計限制建立設計概念，即建立該系統(tǒng)的信號流程框圖。在ASEDA中選出這些模塊后，進入ASEDA的層次化綜合、優(yōu)化設計框架。然后，以電路圖或者是文本格式的文件輸出，作為版圖設計級的輸入，最后形成VHDL描述。
　

圖1 電子系統(tǒng)自動化設計流程

　　層次化的綜合設計是將系統(tǒng)和設計限制逐級分解為更小的部件和設計限制進行設計綜合，而在每一層中電路的分析綜合和優(yōu)化過程是一致的。首先，是讀入性能要求和設計限制文件，這些性能要求和設計限制在最高層是由用戶直接提出的，而在低層次上是由上一層自動生成的，這樣用戶在設計時并不需要了解底層的詳細設計情況，從而方便了用戶設計。第二步，是根據(jù)性能要求和設計限制在相應層次的宏模型庫中選取適當?shù)暮昴Ｐ屯負浣Y(jié)構，在選取上可采用模糊匹配的原則，為用戶提供一個或若干個拓撲結(jié)構以供選擇。

　　若用戶對系統(tǒng)自動選擇的拓撲結(jié)構滿意，可以直接進行下一步的設計，否則可以自行修改拓撲結(jié)構甚至重新構造新的拓撲結(jié)構。然后，由宏模型自動建立工具對修改后的或新建的拓撲結(jié)構進行分析，建立相應的宏模型，并補充到相應層次的宏模型庫中，進行下一步的設計。由于電路，尤其是模擬電路的拓撲結(jié)構千變?nèi)f化，一個單元庫不可能滿足所有用戶需求，往往需要構造新的電路拓撲，因而，電路宏模型的自動建立對提高設計效率至關重要。

　　在確定拓撲結(jié)構后就可以進行參數(shù)優(yōu)化和宏模型仿真。優(yōu)化以輸入的設計要求和設計限制作為優(yōu)化目標，可以是性能指標的優(yōu)化，也可以是產(chǎn)量的優(yōu)化。優(yōu)化方法包括最速下降法、模擬退火法等。最速下降法求解速度快，往往只能得到局部最優(yōu)解；模擬退火法雖然求解速度很慢，但可以得到全局最優(yōu)解。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，模擬退火法逐步受到重視，并得到了廣泛的應用。

　　宏模型仿真方面既可以使用符號模擬也可以使用數(shù)值模擬來進行模擬驗證工作，用以驗證優(yōu)化結(jié)果。當驗證結(jié)果不滿足設計要求時，需要重新進行拓撲選擇和參數(shù)優(yōu)化。在每一層次中都做這樣的仿真，盡管增加了設計的工作量，然而，由于這樣做避免了將某一層中的設計錯誤帶入到下一層中，因而使自頂向下的設計能夠一次完成，不僅提高了設計成功率，而且提高了整個設計系統(tǒng)的效率。

　　當通過宏模型仿真后就該為進行下一層次的設計做準備工作。首先，將該層的拓撲結(jié)構分解成各子模塊；然后，根據(jù)各子模塊分解性能要求和設計限制，即為各子模塊確定各自的性能指標與設計限制。這部分的工作也十分重要，它直接關系到下一層的設計能否順利進行，并得到所需的設計結(jié)果。OASYS在這方面作了大量的研究工作，取得了一定的進展，并有一些成功應用。分解完后可轉(zhuǎn)入對各子模塊的設計，即進行下一層次的設計，該過程與以上介紹的設計過程是一致的。不斷進行該設計過程，直至完成整個系統(tǒng)的設計工作。

　　在實際的設計過程中，各層次模塊的單元不一定嚴格劃分，并且可能采取混合的模塊選取構成電路和系統(tǒng)的拓撲結(jié)構，因此在庫單元文件的構成中把各層次的模塊設置于同一層，以方便各層次模塊的選取。各層次的模塊下有各種不同類型的模塊定義，針對某一模塊而言，其功能描述是一一對應的，而實現(xiàn)其功能的結(jié)構形式可以是多樣的。在功能描述和結(jié)構描述的目錄下包含各自的屬性描述。功能描述的屬性描述是該模塊實現(xiàn)的功能特征，以便在綜合過程中搜索調(diào)用。每一個結(jié)構描述給出了實現(xiàn)功能特征的不同結(jié)構形式及各自的性能特征。最后，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，功能和結(jié)構描述的屬性都具有當前和備份兩個文件。

　　此外，用戶還可以根據(jù)需要將自己定義的模塊或多級模塊加入功能塊庫中。這些自定義的模塊實際上是用戶編寫的代表特定功能的源程序，一旦將這些模塊所代表的行為通過源程序定義下來，ASEDA就會自動產(chǎn)生所需的庫文件和數(shù)據(jù)庫。這些自定義模塊和多級模塊生成之后，可以像單元庫中的其它模塊一樣來使用。
　

二、 ASEDA設計環(huán)境特點

　　 ASEDA提供的工具使設計者能夠?qū)崿F(xiàn)各種電子系統(tǒng)的設計，包括設計輸入、仿真、測試和實現(xiàn)。ASEDA主要有以下特點：

　　· 電子系統(tǒng)設計和仿真具有統(tǒng)一的圖形用戶界面；
　　· 用MATLAB進行系統(tǒng)級仿真，有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費；
　　· 具有層次化的電路綜合設計框架，這適應了自頂向下的系統(tǒng)設計需要；
　　· 支持反饋回路的多級嵌套，以適應多級、復雜的系統(tǒng)設計要求；
　　· 建有層次化、可擴充的單元電路宏模型庫，為進行分層次系統(tǒng)設計提供保障，同時增加了設計的靈活性，減少了設計時間；
　　· 利用高效的綜合優(yōu)化算法，采用靈活的方式，由用戶人工干預的方式或者由計算機自動生成各層次的宏模型；
　　· 具有開放的體系結(jié)構，不僅能提供與其它設計工具的接口，還允許設計人員在系統(tǒng)中擴充和自建設計工具，大大方便各種設計人員進行電子系統(tǒng)設計，特別是有利于進行模數(shù)混合電子系統(tǒng)的設計；
　　· 提供多種電路模擬與驗證手段，除了使用傳統(tǒng)的SPICE等數(shù)值模擬工具外，還可使用符號模擬工具對電路進行模擬驗證工作，這樣可以有利于設計人員在設計精度和設計時間上做合適的折衷。
　

結(jié) 論

　　電子系統(tǒng)設計自動化方法和設計環(huán)境對于電子系統(tǒng)的設計起著很重要的作用。本文所述的設計環(huán)境具有多種優(yōu)點，加以完善則會提高電子系統(tǒng)設計速度與成功率。

參考文獻 　　
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