淺談EDA技術(shù)

何偉

摘要：由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于EDA技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得以廣泛應(yīng)用。EDA技術(shù)已成為現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電子產(chǎn)品研發(fā)的有效工具，成為電子工程師應(yīng)具備的基本能力。本文先介紹了EDA技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，并對(duì)其基本特點(diǎn)予以詳細(xì)敘述，最后對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)予以展望。

關(guān)鍵詞：電子系統(tǒng)；EDA技術(shù)；設(shè)計(jì)方法

1、前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，電子技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于電子產(chǎn)品的研發(fā)周期不斷縮短，專(zhuān)用集成電路（ASIC）的設(shè)計(jì)面臨著設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短與設(shè)計(jì)難度不斷提高的矛盾。為了解決這一矛盾，就有必要采用新的電子電路設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具，在此情況下，EDA （E1echonics Design Automation，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。

2、EDA技術(shù)發(fā)展概況

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)是在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)以及人工智能等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新成果基礎(chǔ)上而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，同時(shí)相應(yīng)提出了先進(jìn)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是一種幫助電子設(shè)計(jì)工程師更加有效地從事電子產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)。該技術(shù)至今已有40多年的發(fā)展歷程，大致可以分為三個(gè)發(fā)展階段：

（1）CAD （計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）階段

這個(gè)階段始于20世紀(jì)70年代，由于研制了一些相應(yīng)的軟件工具，因此其主要特征是利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行PCB 布線、電路模擬、邏輯模擬及版圖的繪制等，從而使電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件從大量繁瑣、重復(fù)的計(jì)算和繪圖工作中解脫出來(lái)，使設(shè)計(jì)周期得以縮短，設(shè)計(jì)效率顯著提高。

（2）CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)）階段（20 世紀(jì)八九十年代中期）

這一階段始于20世紀(jì)80年代，由于在集成電路技術(shù)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)和設(shè)計(jì)工具集成化等方面獲得了許多技術(shù)上的迅速發(fā)展。使得各種設(shè)計(jì)工具，如原理圖輸入、編譯與連接、邏輯模擬、測(cè)試碼生成、版圖自動(dòng)布局和布線以及各種單元庫(kù)等得以豐富和完善。其主要特征是以定時(shí)分析、邏輯摸擬、故障仿真、自動(dòng)布局布線為核心，重點(diǎn)解決了電子電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的功能檢測(cè)等問(wèn)題，從而使得電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在制作之前就能夠預(yù)知產(chǎn)品的功能與性能。

（3）EDA 階段

這一階段始于20 世紀(jì) 90 年代，其主要特征是以高級(jí)描述語(yǔ)言、系統(tǒng)仿真和綜合技術(shù)為特點(diǎn)，采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，將設(shè)計(jì)前期的許多高層次設(shè)計(jì)由EDA工具來(lái)完成。這種方法不僅極大地提高了電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，而且使設(shè)計(jì)者從大量的輔助性工作中解脫出來(lái)，能夠?qū)⒕杏诜桨傅膭?chuàng)造性與概念的構(gòu)思上。

目前EDA技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入第四個(gè)發(fā)展階段，即進(jìn)入以互連為核心的IDD（Interactive Driving Design）設(shè)計(jì)方式的發(fā)展階段。該階段工程師在進(jìn)行系統(tǒng)項(xiàng)目上游設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)將下游物理設(shè)計(jì)中制約條件同時(shí)考慮進(jìn)去，從而使芯片系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定可靠。

3、EDA技術(shù)的基本特點(diǎn)

EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向，電子設(shè)計(jì)工程師們可以利用EDA工具設(shè)計(jì)復(fù)雜電子系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成大量繁瑣的設(shè)計(jì)工作，即就是將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖的整個(gè)過(guò)程都在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。該技術(shù)具有以下一些特點(diǎn)：

（1） 自頂向下的設(shè)計(jì)方法。

“自頂向下”（Top- Down）是一種全新的設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法從設(shè)計(jì)的總體要求入手，自頂向下將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為不同的功能子模塊，即在頂層進(jìn)行功能方劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣可以在方框圖一級(jí)就進(jìn)行仿真和糾錯(cuò)，并能用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，從而在系統(tǒng)一級(jí)就能進(jìn)行驗(yàn)證，然后由EDA綜合工具完成到工藝庫(kù)的映射。由于設(shè)計(jì)的主要仿真和糾錯(cuò)過(guò)程是在高層次上完成的，這種方法有利于在早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，從而避免設(shè)計(jì)工作中的浪費(fèi)，同時(shí)也大大減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。

（2） 可編程邏輯器件PLD

可編程邏輯器件是一種由用戶(hù)編程以實(shí)現(xiàn)某種電子電路功能的新型器件，PLD 可分為低密度和高密度兩種。其中低密度 PLD 器件的編程都需要專(zhuān)用的編程器，屬于半定制的專(zhuān)用集成電路器件，而高密度 PLD 就是EDA 技術(shù)中經(jīng)常用到的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）以及在系統(tǒng)可編程邏輯器件（ISP-PLD）等，它們屬于全定制ASIC 芯片，編程時(shí)僅需以 JTAG 方式與計(jì)算機(jī)并口相連即可。

（3） 硬件描述語(yǔ)言

硬件描述語(yǔ)言（HDL- Hardware Description Language）是一種用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，就是用軟件編程的方式來(lái)描述復(fù)雜電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。硬件描述語(yǔ)言是EDA技術(shù)的重要組成部分，是EDA設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中很重要的軟件工具。其中VHDL即超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言，是電子設(shè)計(jì)中主流的硬件描述語(yǔ)言，用VHDL進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使設(shè)計(jì)者可以專(zhuān)心致力于其功能的實(shí)現(xiàn)，而不需要對(duì)與工藝有關(guān)的因素上花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力。

4、EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技水平的提高，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代日新月異，而EDA技術(shù)作為各類(lèi)電子產(chǎn)品研發(fā)的源動(dòng)力，自然而然成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電子技術(shù)已經(jīng)全方位納入到EDA領(lǐng)域，EDA技術(shù)使得電子領(lǐng)域各學(xué)科之間的界限愈加模糊，相互間互為包容，其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：EDA技術(shù)要生存就必須適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，要專(zhuān)注于技術(shù)創(chuàng)新，而EDA產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)將體現(xiàn)在系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證及可制造性設(shè)計(jì)（DFM ）兩大領(lǐng)域；使電子設(shè)計(jì)成果將以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的方式得以明確表達(dá)和確認(rèn)，IP的合理應(yīng)用是產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程得以加速的一個(gè)有效途徑；一體化的設(shè)計(jì)工具平臺(tái)使用戶(hù)受益于統(tǒng)一的用戶(hù)界面，避免了在不同的工具之間進(jìn)行數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換等繁瑣的操作過(guò)程；描述語(yǔ)言一直是EDA業(yè)中重要的一環(huán)，然而隨著IC復(fù)雜度的不斷提高，從更高層次入手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述是描述語(yǔ)言未來(lái)的發(fā)展方向；隨著EDA技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的飛速發(fā)展，使得基于Linux環(huán)境的EDA技術(shù)將成為電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流。

EDA技術(shù)應(yīng)用廣泛，如今已涉及到各行各業(yè)，EDA技術(shù)水平也在不斷提高，設(shè)計(jì)工具趨于完美，EDA市場(chǎng)也日趨成熟。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段都發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的“固定功能集成塊加連線”的設(shè)計(jì)方法正逐步地退出歷史舞臺(tái)，而基于專(zhuān)用芯片的設(shè)計(jì)方法正成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。

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（作者單位：陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）