淺談電子EDA技術(shù)的含義、特點、主要內(nèi)容及應(yīng)用

引言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在涉及通信、國防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動化、計算機應(yīng)用、儀器儀表等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計工作中，EDA技術(shù)的含量正以驚人的速度上升;電子類的高新技術(shù)項目的開發(fā)也逾益依賴于EDA技術(shù)的應(yīng)用。即使是普通的電子產(chǎn)品的開發(fā)，EDA技術(shù)常常使一些原來的技術(shù)瓶頸得以輕松突破，從而使產(chǎn)品的開發(fā)周期大為縮短、性能價格比大幅提高。不言而喻，EDA技術(shù)將迅速成為電子設(shè)計領(lǐng)域中的極其重要的組成部分。

1 EDA技術(shù)的含義及特點

EDA（ Electronic Design Automation，電子系統(tǒng)設(shè)計自動化）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初從CAD（計算機輔助設(shè)計）、CAM（計算機輔助制造），CAT（計算機輔助測試）和CAE（計算機輔助工程）的概念發(fā)展而來的?，F(xiàn)代EDA技術(shù)就是以讓算機為工具，在EDA軟件平臺上，根據(jù)硬件描述語言HDL完成的設(shè)計文件，能自動地完成用軟件方式描述的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、布局布線、邏輯仿真，直至完成對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下和應(yīng)用相應(yīng)的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的設(shè)計結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是硬件，但整個設(shè)計和修改過程如同完成軟件設(shè)計一樣方便和高效?？梢?， 利 用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)的設(shè)計，具有以下幾個特點：

1）用軟件的方式設(shè)計硬件;

2）用軟件方式設(shè)計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動完成的;

3）采用自頂向下（top-down）的設(shè)計方法;

4）設(shè)計過程中可用有關(guān)軟件進行各種仿真;

5）系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級;

6）整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，體積小、功耗低、可靠性高。因此，EDA代表了當(dāng)今電子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向。

2 EDA技術(shù)的主要內(nèi)容

EDA技術(shù)涉及面很廣，內(nèi)容豐富，從教學(xué)和實用的角度看，主要應(yīng)掌握如下四個方面的內(nèi)容：

1）大規(guī)模可編程邏輯器件;

2）硬件描述語言;

3）軟件開發(fā)工具;

4）實驗開發(fā)系統(tǒng)。其中，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的載體，硬件描述語言是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的主要表達(dá)手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的智能化的自動設(shè)計工具，實驗開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的下載工具及硬件驗證工具。

2.1 大規(guī)模可編程邏輯器件

PLD（ Porgrammable Logic Device，可編程邏輯器件）是一種由用戶編程以實現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件。FPGA和CPLD分別是現(xiàn)場可編程門陣列和復(fù)雜可編程邏輯器件的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA. PLD是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)，通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術(shù)在20世紀(jì)90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言（HDL）的進步。

2.2 硬件描述語言（HDL）

硬件描述語言（HDL）是相對于一般的計算機軟件語言如C、Pascal而言的。HDL是用于設(shè)計硬件電子系統(tǒng)的計算機語言，它描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接方式。HDL具有與具體硬件電路無關(guān)和與設(shè)計平臺無關(guān)的特性，并且具有良好的電路行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化結(jié)構(gòu)化設(shè)計方面，表現(xiàn)了強大的生命力和應(yīng)用潛力。用HDL進行電子系統(tǒng)設(shè)計的一個很大的優(yōu)點是設(shè)計者可以專心致力于其功能的實現(xiàn)，而不需要對不影響功能的與工藝有關(guān)的因素花費過多的時間和精力。

就FPGA/CPLD開發(fā)來說，比較常用和流行的HDL主要有VHDL，Verilog HDL，ABEL，AHDL，SystemVerilog和SysternC.其中VHDL，V eri比在現(xiàn)在EDA設(shè)計中使用最多，也擁有幾乎所有的主流EDA工具的支持。而SysternVeri比和SystetnC這兩種HDL語言還處于完善過程中?，F(xiàn)在，VHDL和Veir比作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中，VHDL與Verilog HDL語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。

2.3 軟件開發(fā)工具

這類軟件一般由PLD/FPGA芯片廠家提供，基本都可以完成所有的設(shè)計輸人（原理圖或HDL），仿真，綜合，布線，下載等工作。

2.4 實驗開發(fā)系統(tǒng)

提供芯片下載電路及EDA實驗/開發(fā)的外圍資源（類似于用于單片機開發(fā)的仿真器），供硬件驗證用。一般包括：

1）實驗或開發(fā)所需的各類基本信號發(fā)生模塊，包括時鐘、脈沖、高低電平等;

2） FPGA/CPLD輸出信息顯示模塊，包括數(shù)據(jù)顯示、發(fā)光管顯示、聲響指示等;

3）監(jiān)控程序模塊，提供“電路重構(gòu)軟配置“;

4）目標(biāo)芯片適配座以及上面的FPGA/CPLD目標(biāo)芯片和編程下載電路。

3 EDA技術(shù)的應(yīng)用展望

3.1 EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于高校電類專業(yè)的實踐教學(xué)和科研工作中

與世界各知名高校相比，我國高等院校在EDA及微電子方面的教學(xué)和科研工作有著明顯的差距，我們的學(xué)生現(xiàn)在做的課程實驗普遍陳舊，動手能力較差。從某種意義上來說，EDA教學(xué)科研情況如何，代表著一個學(xué)校電類專業(yè)教學(xué)及科研水平的高低，而EDA教學(xué)科研工作開展起來后，還會對微電子類、計算機類學(xué)科產(chǎn)生積極的影響，從而帶動各高校相應(yīng)學(xué)科的同步發(fā)展。

3.2 EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于專用集成電路和新產(chǎn)品的開發(fā)研制中

由于可編程邏輯器件性能價格比的不斷提高，開發(fā)軟件功能的不斷完善，而且由于用EDA技術(shù)設(shè)計電子系統(tǒng)具有用軟件的方式設(shè)計硬件;設(shè)計過程中可用有關(guān)軟件進行各種仿真;系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級;整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上等特點，使其將廣泛應(yīng)用于專用集成電路和機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域新產(chǎn)品的開發(fā)研制中。

3.3 EDA技術(shù)將廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)機電設(shè)備的升級換代和技術(shù)改造

傳統(tǒng)機電設(shè)備的電器控制系統(tǒng)，如果利用EDA技術(shù)進行重新設(shè)計或進行技術(shù)改造，不但設(shè)計周期短、設(shè)計成本低，而且將提高產(chǎn)品或設(shè)備的性能，縮小產(chǎn)品體積，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的附加值。

3.4 EDA技術(shù)將在國防現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮孟要的作用

EDA技術(shù)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展階段，每年都有新的EDA工具問世，我國EDA技術(shù)的應(yīng)用水平長期落后于發(fā)達(dá)國家，如果說用于民品的核心集成電路芯片還可以從國外買的到的話，那么軍用集成電路就必須依靠自己的力量研制開發(fā)，因為用錢是買不到國防現(xiàn)代化的，特別是中國作為一支穩(wěn)定世界的重要力量，更要走自主開發(fā)的道路。強大的現(xiàn)代國防必須建立在自主開發(fā)的基礎(chǔ)上，因此，廣大電子工程技術(shù)人員應(yīng)該盡早掌握這一先進技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計效率和我國電子工業(yè)在世界市場上生存、竟?fàn)幣c發(fā)展的需要，更是建立強大現(xiàn)代國防的需要。
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