EDA技術(shù)與應(yīng)用簡(jiǎn)介
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國(guó)防、航天、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表等領(lǐng)域工作中，EDA技術(shù)的含量以驚人的速度上升，從而使它成為當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展的前沿之一。下面是關(guān)于EDA技術(shù)與應(yīng)用，希望大家認(rèn)真閱讀!
1 前言
人類(lèi)社會(huì)已進(jìn)入到高度發(fā)達(dá)的信息化社會(huì)，信息社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步。 現(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時(shí)，價(jià)格卻一直呈下降趨勢(shì)，而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐 也越來(lái)越快，實(shí)現(xiàn)這種進(jìn)步的主要原因就是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。前者以微細(xì)加工 技術(shù)為代表，目前已進(jìn)展到深亞微米階段，可以在幾平方厘米的芯片上集成數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管;后者 的核心就是EDA技術(shù)。EDA是指以計(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)最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作：IC設(shè)計(jì),電子 電路設(shè)計(jì)以及PCB設(shè)計(jì)。沒(méi)有EDA技術(shù)的支持，想要完成上述超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造是不可 想象的，反過(guò)來(lái)，生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步又必將對(duì)EDA技術(shù)提出新的要求。
2 EDA技術(shù)的發(fā)展
回顧近30年電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程，可將EDA技術(shù)分為三個(gè)階段。 (1) 七十年代為CAD階段，這一階段人們開(kāi)始用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行IC版圖編輯和PCB布局布 線，取代了手工操作，產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念。 (2)八十年代為CAE階段，與CAD相比，除了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(guò)電氣連接網(wǎng)絡(luò)表將兩者結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)，這就是計(jì)算機(jī)輔助 工程的概念。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)九十年代為ESDA階段。盡管CAD/CAE技術(shù)取得了巨大的成功，但并沒(méi)有把人從繁重的 設(shè)計(jì)工作中徹底解放出來(lái)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，自動(dòng)化和智能化程度還不高，各種EDA軟件界面千 差萬(wàn)別，學(xué)習(xí)使用困難，并且互不兼容，直接影響到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間的銜接。基于以上不足，人們開(kāi)始 追求貫徹整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化，這就是ESDA即電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。
從目前的EDA技術(shù)來(lái)看，其發(fā)展趨勢(shì)是政府重視、使用普及、應(yīng)用文泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。
中國(guó)EDA市場(chǎng)已漸趨成熟，不過(guò)大部分設(shè)計(jì)工程師面向的是PC主板和小型ASIC領(lǐng)域，僅有小部分(約11%)的設(shè)計(jì)人員工發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺(tái)灣和美國(guó)的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)的設(shè)計(jì)隊(duì)伍有必要購(gòu)入一些最新的EDA技術(shù)。
在信息通信領(lǐng)域，要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、深亞微米集成電路、新型元器件、計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、第三代移動(dòng)通信技術(shù)、信息管理、信息安全技術(shù)，積極開(kāi)拓以數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)品，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)、計(jì)算機(jī)機(jī)輔助制造(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、制造資源計(jì)劃(MRPII)及企業(yè)資源管理(ERP)等。有條件的企業(yè)可開(kāi)展“網(wǎng)絡(luò)制造”，便于合作設(shè)計(jì)、合作制造，參與國(guó)內(nèi)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。開(kāi)展“數(shù)控化”工程和“數(shù)字化”工程。自動(dòng)化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的測(cè)試技術(shù)、控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測(cè)量、控制、通信與計(jì)算機(jī)(M3C)結(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD設(shè)計(jì)方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。
外設(shè)技術(shù)與EDA工程相結(jié)合的市場(chǎng)前景看好，如組合超大屏幕的相關(guān)連接，多屏幕技術(shù)也有所發(fā)展。
中國(guó)自1995年以來(lái)加速開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，先后建立了幾所設(shè)計(jì)中心，推動(dòng)系列設(shè)計(jì)活動(dòng)以應(yīng)對(duì)亞太地區(qū)其它EDA市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。
在EDA軟件開(kāi)發(fā)方面，目前主要集中在美國(guó)。但各國(guó)也正在努力開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工具。日本、韓國(guó)都有ASIC設(shè)計(jì)工具，但不對(duì)外開(kāi)放 。中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)中心，也提供IC設(shè)計(jì)軟件，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來(lái)會(huì)有更多更好的設(shè)計(jì)工具有各地開(kāi)花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，中國(guó)和印度正在成為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個(gè)市場(chǎng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)到了50%和30%。
EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來(lái)描述。EDA技術(shù)的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。EDA水平不斷提高，設(shè)計(jì)工具趨于完美的地步。EDA市場(chǎng)日趨成熟，但我國(guó)的研發(fā)水平沿很有限，需迎頭趕上。
3 ESDA技術(shù)的基本特征
ESDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：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(zhuān)用集成 電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言(HDL)完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)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(chēng)為高層次的電子設(shè)計(jì)方法，具體流程還將在4.2節(jié)中 做深入介紹。下面介紹與ESDA基本特征有關(guān)的幾個(gè)概念。
3.1 "自頂向下"的設(shè)計(jì)方法
10年前，電子設(shè)計(jì)的'基本思路還是選擇標(biāo)準(zhǔn)集成電路"自底向上"(Bottom-Up)地構(gòu) 造出一個(gè)新的系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)方法就如同一磚一瓦地建造金字塔，不僅效率低、成本高而且 還容 易出錯(cuò)。
高層次設(shè)計(jì)給我們提供了一種"自頂向下"(Top-Down)的全新的設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì) 方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，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(yǔ)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(mén)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�。由于設(shè)計(jì)的主要 仿真和調(diào)試過(guò)程是在高層次上完成的，這不僅有利于早期發(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)，而且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。
3.2 ASIC設(shè)計(jì)
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(wàn)個(gè)中小規(guī)模集成電路構(gòu) 成，這就帶來(lái)了體積大、功耗大、可靠性差的問(wèn)題，解決這一問(wèn)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(chēng)為可編程邏輯器件)。
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IC廠家掩膜制造完成。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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，只適合大批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
半定制ASIC芯片的版圖設(shè)計(jì)方法有所不同，分為門(mén)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，以犧牲芯片性能為代價(jià)來(lái)縮短開(kāi)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(wú)須IC廠家的參與，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。
可編程邏輯器件自七十年代以來(lái)，經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個(gè)發(fā)展階段，其中 CPLD/FPGA屬高密度可編程邏輯器件，目前集成度已高達(dá)200萬(wàn)門(mén)/片，它將掩膜ASIC集成度高的 優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便的特點(diǎn)結(jié)合在一起，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，而當(dāng)市場(chǎng)擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易的轉(zhuǎn)由掩膜ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)風(fēng) 險(xiǎn)也大為降低。
上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)載體。
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