EDA中典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

郝超杰+付振峰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子工業(yè)界經(jīng)歷了巨大的飛躍，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著速度快、容量大、體積小和重量輕的方向發(fā)展。推動(dòng)該潮流迅猛發(fā)展的引擎就是日趨進(jìn)步和完善的ASIC技術(shù)。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶的需求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自頂向下地逐層完成相應(yīng)的描述、綜合、優(yōu)化、模擬和驗(yàn)證，直到生成器件。所有設(shè)計(jì)過程除了系統(tǒng)行為和功能描述基本上都可以用計(jì)算機(jī)來自動(dòng)完成，做到了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。

關(guān)鍵詞：電子工業(yè)；數(shù)字系統(tǒng)；自動(dòng)化

目前，基于芯片級的設(shè)計(jì)、自頂向下設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)模擬成為數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段和方式。隨著數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求越來越精密化和集成化，引入EDA技術(shù)無疑是電子技術(shù)未來發(fā)展的主要方向，EDA技術(shù)將簡化電子數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)一次性成功率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[1]。任何一項(xiàng)新技術(shù)和新工具的產(chǎn)生和發(fā)展，都有其自身的極大優(yōu)越性，而這種優(yōu)越性主要源自于新設(shè)計(jì)方法的引入。設(shè)計(jì)人員只有在掌握了這些新的設(shè)計(jì)方法后，才能夠有效地利用這些新技術(shù)和新工具更好地為設(shè)計(jì)服務(wù)。

1 典型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

一般來說，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為四個(gè)層次，它們分別是系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、電路級設(shè)計(jì)、芯片設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)[2]。而對應(yīng)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四個(gè)層次，可以把一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)，芯片設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對總體設(shè)計(jì)部門給出的設(shè)計(jì)任務(wù)以及設(shè)計(jì)的一些要求進(jìn)行分析，目的是設(shè)計(jì)任務(wù)要求轉(zhuǎn)換成明確的可實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)要求，并且確定可行的技術(shù)方案。

電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)技術(shù)方案來確定數(shù)字系統(tǒng)所需要的算法和電路形式，在電路上描述數(shù)字系統(tǒng)的功能。

芯片設(shè)計(jì)，芯片設(shè)計(jì)是根據(jù)電路設(shè)計(jì)所確定的算法和電路形式，通過設(shè)計(jì)芯片內(nèi)部的邏輯功能來實(shí)現(xiàn)這些算法和電路，即設(shè)計(jì)具有專門用途的集成電路芯片。

PCB設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)使芯片設(shè)計(jì)工作的延續(xù)，它的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的整體功能，同時(shí)進(jìn)行初步的工藝和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行兩方面的工作，一方面通過芯片和其它電路元件之間的連接將各種元器件結(jié)合起來形成完整的數(shù)字系統(tǒng)；另一方面按照電路的尺寸、工藝和環(huán)境的要求，確定電路板的尺寸和形狀，并進(jìn)行有效的布局和布線。

調(diào)試，調(diào)試的目的是為了對設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行檢查以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。一般來說，調(diào)試按照不同的要求可以分為兩種：電路調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。無論是電路調(diào)試還是系統(tǒng)調(diào)試，一旦發(fā)現(xiàn)問題，都需要回到電路設(shè)計(jì)、芯片設(shè)計(jì)、和PCB設(shè)計(jì)以修改出現(xiàn)問題的電路板，芯片，PCB的設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于工藝和工業(yè)造型的問題，主要包括機(jī)箱設(shè)計(jì)和面板設(shè)計(jì)，可以和上述步驟同步進(jìn)行。

2 典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法

在進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，所采用的基本方法有兩種：自頂向下的設(shè)計(jì)方法[3]和編碼的方法。

自頂向下的設(shè)計(jì)方法，實(shí)際上就是基于芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它在功能劃、任務(wù)分配和設(shè)計(jì)管理上具有一定的優(yōu)越性。所謂自頂向下的設(shè)計(jì)方法就是利用功能分割手段將設(shè)計(jì)由上至下進(jìn)行層次化和模塊化，即分成次、分模塊地對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬。功能分割采用逐級分割的方式，首先將系統(tǒng)分割成各個(gè)功能子模塊，然后將各個(gè)功能子模塊分解為邏輯快，而邏輯塊又可以分割成更小的邏輯快和電路。按照這樣的分割方式，可以將一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)逐步細(xì)化并將功能模塊化。這樣，高層次的設(shè)計(jì)主要進(jìn)行系統(tǒng)功能和接口的描述并說明模塊的功能和接口，而對于模塊功能的詳細(xì)描述則在下一層次中說明，最低層的設(shè)計(jì)才涉及到具體的門級電路。

3 典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則

在進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，通常需要考慮設(shè)計(jì)的功能和性能要求、元件器件的資源配置、設(shè)計(jì)工具的可實(shí)現(xiàn)性以及系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)費(fèi)等多方面的條件和需求。對于具體的數(shù)字系統(tǒng)來說，雖然設(shè)計(jì)的條件和需求不盡相同，實(shí)現(xiàn)的具體方法也不同，但是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是具備一些共同的基本準(zhǔn)則：

分割準(zhǔn)則，自頂向下的設(shè)計(jì)方法或者其它層次化設(shè)計(jì)方法，往往都需要對數(shù)字系統(tǒng)的功能進(jìn)行分割，然后再使用邏輯語言來進(jìn)行具體的描述。在進(jìn)行逐級分割的過程中，如果功能分割過細(xì)，，則會帶來不必要的重復(fù)和繁瑣；如果功能分割過粗，則會使子模塊不易用邏輯語言來進(jìn)行描述。

同步和異步電路，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡量采用同步電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，而避免使用異步電路，在必須使用異步電路的場合下，應(yīng)該采取一定的措施來避免較大的系統(tǒng)時(shí)延和邏輯冒險(xiǎn)。

最優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于可編程邏輯器件的可編程邏輯資源、I/O資源和連線資源都是有限的，器件的性能有一定的限制，因此用邏輯器件設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的過程就相當(dāng)于一個(gè)求取最優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。一般來說，求取最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程需要給定邊界條件和最優(yōu)化目標(biāo)這兩個(gè)約束條件。約束條件即指器件的性能和資源限制。最優(yōu)化目標(biāo)有好多種，最常見的有期間利用率最高、系統(tǒng)工作速度最快和實(shí)現(xiàn)性最好三種。

系統(tǒng)的可觀測性，在一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該同時(shí)考慮功能檢查和性能的測試，即解決系統(tǒng)觀測性的問題。可以設(shè)計(jì)觀測電路來指示系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)。而一班來說，建立觀測電路常常需要遵循以下原則：對系統(tǒng)的關(guān)鍵性信號進(jìn)行觀測；對具有代表性的節(jié)點(diǎn)和線路上的信號進(jìn)行觀測；具有簡單的系統(tǒng)是否正常判斷能力。

4 結(jié)語

一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)過反復(fù)的修改、測試、優(yōu)化才能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員需要在各種設(shè)計(jì)要求、約束條件和優(yōu)化規(guī)制等方面反復(fù)權(quán)衡利弊、折中以求達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能要求。設(shè)計(jì)總體上流暢，具有良好的可觀測性，結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)、資源配置、I/O分配合理，沒有任何設(shè)計(jì)和性能上的瓶頸，易于修改和移植，器件的資源、速度和性能得到充分的發(fā)揮，如果該數(shù)字系統(tǒng)可以滿足以上五點(diǎn)要求，就可以稱為是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]彭子毓，《基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，成都電子科技大學(xué)，電腦編程技巧與維護(hù)。

[2]于濟(jì)錚，梁高衛(wèi)，《基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》，邵陽學(xué)院，《信息通信》，2015年第2期。

[3]徐瓊燕，《數(shù)字電路及EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用》，南昌大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文。

指導(dǎo)老師：郭敏