中小规模集成电路的自动化集成方法研究及应用

陈韶华

摘 要：随着我国科学技术的发展，需要运用到集成电路的领域越来越多，如民用领域、军事领域等。而且集成电路的发展非常迅速，有效推动了相关设备和领域的发展。我国对集成电路技术的研究较晚，为了使其能够跟上国际发展步伐，推动我国电子技术的进步及相关仪器的维护，需要加强对集成电路的自动化集成方法的研究。本文主要分析了集成电路技术的发展现状，阐述了集成电路技术的应用领域，并针对中小规模集成电路的自动化集成方法研究及应用进行了探讨。

关键词：中小规模集成电路；自动化集成方法；应用领域

虽然我国近年来经济、文化、科学技术等发展和提升非常迅速，但某系领域的研究还达不到国际水准，如集成电路技术。为了使集成电路技术能够达到国际水平，需要加强对国外先进设备的研究和创新。随着相关技术的发展，电子设计自动化技术的运用越来越广泛，导致一些小规模集成电路的设备难以使用。因此要注重中小规模集成电路自动化集成方法的研究，从而起到优化和更新老旧设备的作用，达到节省资源，创新设计的目的。

1 集成电路技术的发展现状

20世纪50年代，集成电路开始发展，其主要是由半导体、电阻和电阻组合而成。一般集成电路常见的形式有扁平式、直插式等。根据集成电路的功能，可以将其分为数字集成电路、模拟集成电路，其中模拟集成电路又可以分为线性集成电路和非线性集成电路。数字集成电路的发展速度非常快，几乎每18个月都会增加一倍的晶体管数量。为了能够快速进行芯片的设计，现场编程逻辑器件以具有划时代意义的作用应运而生。本文主要针对可编程逻辑器件的发展进行分析：可编程逻辑器件刚开始发展之初，只有可编程只读存贮器，存在集成度低的问题。随着可编程逻辑器件的发展，可编程阵列逻辑PAL和通用逻辑阵列GAL得到应用。可编程阵列逻辑PAL主要是由可编程和结构连接而成，可以更新相关的技术实现多次反复编程。可编程逻辑阵列PLA与可编程阵列逻辑PAL比较相似，但其结构灵活性更加高。

20世纪80年代，可编程逻辑器件逐渐发展出复杂可编程逻辑器件GPLD和现场可编程门阵列FPGA。此时可编程逻辑器件的发展已经较为完善，此两种器件具有快速逻辑运算、应用普及度更高等优势。复杂可编程逻辑器件GPLD和现场可编程门阵列FPGA各自具有不同的优点，但都能符合大型系统设计的要求，其中复杂可编程逻辑器件GPLD具有配置简单的优势，现场可编程门阵列FPGA具有配置灵活的优势，同时它们所需要的研发时间较短，成本也较低、性能足够稳定。由于这两种可编程逻辑器件的优势，其被广泛运用到数字集成电路设计中。如今可编程逻辑器件发展到可编程的片上系统——System on Programmable Chip，简称SOPC。可编程的片上系统不仅能够在同一块芯片上完成逻辑功能，还可编程。可编程的片上系统能够应用于多种领域，如数据收发、计算以及嵌入式系统设计等。随着可编程逻辑器件的发展，软件和硬件协同开发设计的完美结合，其性能越来越高。目前可编程逻辑器件仍然在不断发展之中。

2 集成电路技术的应用领域

随着科学技术的进步，计算机技术、电子技术等的发展和普及，为了使计算机及相关设备更加符合人们的需求，需要注重集成电路技术的发展。集成电路的快速发展能够有效促进计算机的发展，如既可以使计算机的运行速度越来越快，使其体积越来越小。计算机的普及和发展同时也推动了电子设计自动化技术的发展。目前集成电路在相关技术的影响，逐渐向系统芯片转变。集成电路在各种设备中应用非常广泛，几乎人们所能够看到和知道的电能设备都含有集成电路。

集成电路覆盖范围非常广阔，几乎各行各业都有，如计算机系统、汽车工程、航天工程、生物医学工程等；同时，其在军事领域的应用也非常广泛，如直升机控制系统，各种终端设备等。人们生活中有很多设备也需要集成电路的支持，如手机、电脑等。

3 集成电路的自动化集成方法研究

3.1 数模混合电路分析

在数模混合电路分析中，首先要注重驱动门与负载门之间的关系，即电平与电流需要满足的条件。在实际电路应用中，为了能够满足各项功能要求，需要注重不同电路的混合应用，需要其中一种电路作为驱动门。为了能够使集成电路电流供应不走，驱动门和负载门之间的电平和电流关系需要满足以下条件。

在由TTL电路驱动CMOS电路中，根据对74/74LS系列、4000系列和74HC系列的研究可以发现，其不满足公式1，因此需要通过连接电阻，提高TTL的输出电平。在由CMOS电路驱动TTL电路中，由于CMOS电路输出功率较小，不能满足TTL电路的要求，需要进行改善，如可以将同一壳体内的CMOS电路并联；在驱动门和负载之间增加同向CMOS驱动器；接入一级开关晶体管等方式。

在实际集成电路中，为了保证电路的电压稳定性，可以通过率比电容防止电路局部负载摆动，主要是通过在电源两端连接电解电容的方式，滤除高频和脉冲噪声。同时，在FPGA芯片中，可以将滤波电容删除，避免造成资源浪费。

3.2 单稳态电路分析

单稳态电路的作用主要是进行脉冲整形，即控制脉冲波形的宽度和稳定度。单稳态电路的状态比较稳定，主要处在逻辑高电平或低电平。单稳态电路一般处在稳定状态，即使被触发，也会恢复到稳定状态。

3.3 中央计算机集成方式选择

中央计算机集成方式主要有2种，一种是由上而下的方式，指将完整的数字系统划分为各种功能独立的子系统，若子系统规模仍然较大，还需要继续划分，直到能够符合逻辑门电路级的设计要求。工程设计师首先要注重工程要求的描述，根据描述首先完成子系统的设计，设计成果需要满足上一级的要求，因此属于由上而下的方式。这种方式主要适用于系统设计资料完整的情况。

另一种则是由下而上的方式。这种方式在初期设计中运用得比較频繁，主要是从子系统开始，逐渐设计和构建出更加复杂和庞大的设计。这种方式主要适用于较为简单电路设计模式。

3.4 可编程逻辑器件

复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）主要是实现编程器编程的高密度、高速度、高可靠性的可编程逻辑器件。复杂可编程逻辑器件CPLD主要是由宏单元、布线矩阵等构成，其中宏单元主要是由阵列及触发器构成，阵列实现逻辑功能。复杂可编程逻辑器件CPLD主要采用集中布线的方法。现场可编程门阵列FPGA是在多种可编程逻辑器件上，进一步研究和发展的产物，相比其他几种电路更加具有灵活性。FPGA芯片结构主要由可配置逻辑块、内嵌RAM块等组成，其中可配置逻辑属于基本可编程逻辑单元。

另外还要注重现场可编程门阵列FPGA的配置，其主要分为5个步骤，包括初始化、清空配置存储器、加载配置数据、CRC校验、START-UP等。

4 集成电路的自动化集成方法应用

4.1 自动化集成步骤

在集成電路的自动化集成中，要实现自动化集成主要分为3个步骤：①前期资源提取，主要包括电路图的绘制、对芯片型号的统计、芯片的选择等；②软件处理阶段，主要包括网络表文件处理；③集成验证实现阶段。

4.2 集成芯片选取

本文主要以M仪器为例。M仪器是主要由TTL系列和CMOS系列芯片组成的数字系统，电平为5V和9V。根据对M仪器的研究和相关集成验证，选用了XC95288-HQ208为集成芯片。

5 结束语

综上所述，由于集成电路的应用领域较广，几乎各行各业的电能设备都需要应用集成电路，然而随着电子设计自动化技术的运用越来越广泛，导致一些小规模集成电路的设备难以使用。通过上述分析可知，确定了集成特点和数字原件的描述方式，提出了合适的集成方案，从而可实现对自动化集成技术的研究和优化。

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