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EDA技术在现代数字系统中的应用

电子技术应用?? 2010年11月12日 ?? 收藏0

  二十世纪后半期,随着集成电路和计算机技术的飞速发展,数字系统也得到了飞速发展,其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI的过程。同时,为了提高系统的可靠性与通用性,微处理器和专用集成电路(ASIC)逐渐取代了通用全硬件LSI电路,而在这二者中,ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。总的来说,ASIC的制作可粗略地分为掩膜方法和现场可编程方法两大类。目前,业界大量可编程逻辑器件(PLD),尤其是现场可编程逻辑器件(FPLD)被大量地应用在ASIC的制作当中。在可编程集成电路的开发过程中,电子设计自动化(EDA)技术应运而生。EDA技术的出现,不仅为电子系统设计带来了一场革命性的变化,从某种角度来说,也成为其发展的必然。

  1EDA技术的基本特征及发展

  1.1EDA技术的基本概念

  EDA(ElectronicsDesignAutomation)即电子设计自动化技术,是一种以计算机为基本工作平台,利用计算机图形学、拓扑逻辑学、计算数学以至人工智能学等多种计算机应用学科的最新成果而开发出来的一整套软件工具,是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。

  1.2EDA技术的发展历程及发展趋势

  EDA技术的发展经历了一个由浅到深的过程。二十世纪70年代,随着中小规模集成电路的开发应用,传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求,因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计,以便解脱繁杂、机械的版图设计工作,这就产生了第一代EDA工具。

  到了80年代,为了适应电子产品在规模和制作上的需要,应运出现了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二代EDA技术。其特点是以软件工具为核心,通过这些软件完成产品开发的设计、分析、生产、测试等各项工作。

  90年代后,EDA技术继续发展,出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。它们的出现,极大地提高了系统设计的效率,使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的辅助设计工作,而把精力集中于创造性的方案与概念构思上,从而极大地提高了设计效率,缩短了产品的研制周期。

  由此可见,EDA技术可以看作是电子CAD的高级阶段。EDA工具的出现,给电子系统设计带来了革命性的变化。随着Intel公司Pentium处理器的推出,Xilinx等公司几十万门规模的FPGA的上市,以及大规模的芯片组和高速、高密度印刷电路板的应用,EDA技术在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。这些问题实际上也是新一代EDA技术未来发展的趋势。

  1.3EDA技术的基本特征和基本工具

  总的来说,现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法,使开发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面,包括质量、成本、开发时间及用户的需求等等。然后从系统设计入手,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VHDL、Verilog-HDL、ABEL等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,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。近几年来,硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化、不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上,从而使EDA框架日趋标准化。

  EDA工具的发展经历了两个大的阶段:物理工具和逻辑工具。现在EDA和系统设计工具正逐渐被理解成一个整体的概念:电子系统设计自动化。物理工具用来完成设计中的实际物理问题,如芯片布局、印刷电路板布线等等;逻辑工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念,首先由原理图编辑器或硬件描述语言进行设计输入,然后利用EDA系统完成综合、仿真、优化等过程,最后生成物理工具可以接受的网表或VHDL、Verilog-HDL的结构化描述。现在常见的EDA工具有编辑器、仿真器、检查/分析工具、优化/综合工具等等。

  目前,PLD已成为现代数字系统设计的主要手段。传统的编程技术是将PLD器件插在编程器上进行编程,而“在系统可编程”(ISP,即In-SystemProgrammable)逻辑器件的问世,将可编程器件的优越性发挥到了极致。它允许用户“在系统中”编辑和修改逻辑,给使用者提供了在不修改系统硬件设计的条件下重构系统的能力和硬件升级能力,使硬件修改变得象软件修改一样方便,系统的可靠性因此而提高。ISP技术即直接在用户设计的目标系统中或线路板上对PLD器件进行编程的技术,打破了使用PLD必先编程后装配的惯例,而可以先装配后编程,成为产品后还可反复编程,从而开创了数字电子系统设计技术新的一页。


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