EDA技术在现代电子领域的发展与应用

2013-01-26

装备制造技术 2013年1期

(商丘职业技术学院，河南商丘 4 76000)

EDA技术是20世纪90年代初迅速发展起来的一门新技术，代表了当今电子设计的最新发展方向，其是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术等多种技术来实现电子产品的自动化设计。EDA技术也是高度发达的信息化社会发展的必然趋势，其应用也越来越广泛，主要电子产业包括：通信工业、信息产业、半导体工业、电子零组件工业、消费性电子工业、光电及仪表工业等行业，是现代电子设计的核心，在现代电子电路设计中起着非常重要的作用。

1 EDA技术的发展

随着大规模集成电路技术、计算机技术和电子系统设计技术的不断发展，EDA技术的含量正以惊人的速度上升，其产生和发展，使产品的开发周期大大缩短，且性能和价格比得到很大程度的提高。归纳起来其发展主要分为四个阶段：

（1）70年代为计算机辅助设计(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。

（2）80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。与CAD相比，CAE除了有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。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。

（3）90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段。

（4）现代EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，能自动地完成用软件方式描述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、布局布线、逻辑仿真，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。

2 EDA技术的主要内容

ESDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是：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.

“自顶向下”(Top–Down)的全新设计方法，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。

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)。

在设计全定制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。这样做的优点是：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。

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，其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。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。

3 EDA技术的应用

EDA技术近年来的发展非常迅速，在教学，科研，通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，发挥着越来越重要的作用。

（1）在教学方面

理工科(特别是电子信息工程)类的高校几乎都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本原理和基本概念，掌握用VHDL硬件描述语言描述系统逻辑的方法，使用仿真软件工具进行电子电路课程的模拟仿真实验并在毕业设计时让学生从事简单电子系统的设计，为今后工作打下基础。

（2）在科研方面

主要利用电路仿真工具进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品调试；将FPGA器件的开发应用到仪器设备中。在CDMA无线通信系统中，所有移动手机和无线基站都工作在相同的频谱，为区别不同的呼叫，每个手机有一个唯一的码序列，CDMA基站必须能判别这些不同观点的码序列才能分辨出不同的传呼进程；这一判别是通过匹配滤波器的输出显示在输入数据流中探测到特定的码序列；FPGA能提供良好的滤波器设计，而且能完成DSP高级数据的处理功能，因而FPGA在现代通信领域中得到广泛应用。

（3）在产品设计与制造方面

从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子电路等，EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真，产品调试，而且在电子设备的研制与生产，电路板的焊接过程中也起着很重要的作用。可以说EDA技术已经成为电子工业领域不可或缺的重要组成部分。