錢 剛

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

電子設(shè)計(jì)自動化的發(fā)展研究

錢 剛

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

文章介紹了電子設(shè)計(jì)自動化的概念，論述了EDA的技術(shù)特點(diǎn)、硬件描述語言及VHDL的優(yōu)點(diǎn)，EDA技術(shù)在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，并集合EDA技術(shù)的更新過程總結(jié)出EDA發(fā)展至今的歷史過程，研究EDA技術(shù)發(fā)展的新方向以及從不同的角度展望了EDA技術(shù)的發(fā)展前景。

EDA；數(shù)字系統(tǒng)；VHDL

EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，通過有關(guān)的開發(fā)軟件，用VHDL硬件描述語言完成設(shè)計(jì)，自動完成編譯、分割、布局和仿真等工作，用軟件完成設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門技術(shù)。

1 電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)的內(nèi)容及特點(diǎn)

1.1 電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)

電子設(shè)計(jì)自動化（Electronics Design Automation，EDA）是一門實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)或電子產(chǎn)品自動設(shè)計(jì)的技術(shù)。EDA吸收了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果，以高性能的電子計(jì)算機(jī)作為工作的平臺，促進(jìn)電子工程的發(fā)展。所以說，EDA是電子產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)，也是每個(gè)電子工程師都應(yīng)該了解和掌握的一門技術(shù)。

EDA是在20世紀(jì)60年代中期從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的，用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

1.2 EDA技術(shù)的基本特征

EDA技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)自動處理完成。

EDA技術(shù)的基本特征：按照“自頂向下”（Top-Down）全新設(shè)計(jì)方法，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路是用印刷電路板或者專用集成電路來實(shí)現(xiàn)的，然后采用硬件描述語言（HDL）對系統(tǒng)硬件進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)，最后用綜合優(yōu)化工具生成最終的理想器件。以下介紹相關(guān)的幾個(gè)方面。

1.2.1 “自頂向下”的設(shè)計(jì)方法

很長一段時(shí)間里，電子設(shè)計(jì)的思路基本就是“自底向上”的設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法就好像一塊塊大石頭堆建起來的瓦房，不僅效率低、成本高，而且還非常容易出錯(cuò)，缺點(diǎn)顯而易見。

于是，人們發(fā)明了如今所用的一種全新的設(shè)計(jì)方法“自頂向下”，這種設(shè)計(jì)方法首先是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。自頂向下的設(shè)計(jì)方法使系統(tǒng)被分解為各個(gè)模塊的集合之后，可以對設(shè)計(jì)的每個(gè)獨(dú)立模塊指派不同的工作小組，這些小組可以工作在不同的地點(diǎn)，甚至可以分屬不同的單位，最后將不同的模塊集成為最終的系統(tǒng)模型，并對其進(jìn)行綜合測試和評價(jià)。它較先前的“自頂向上”無論是在設(shè)計(jì)的時(shí)間上，還是過程中錯(cuò)誤的減少，都得到了很大的提升。

1.2.2 ASIC設(shè)計(jì)

集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），在集成電路界被認(rèn)為是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后目標(biāo)是完成專用集成電路ASIC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

ASIC分為全定制和半定制，全制定是基于晶體管設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)成本高，周期長；而半定制則是一種約束性的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)簡化，周期短，提高了芯片的成品率；和通用的集成電路相比，ASIC的體積更小、功耗更低、性能的提升也相當(dāng)高；從保密性來講，其保密性還是相當(dāng)高的，而且它還具有成本節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)。

可編程ASIC是專用集成電路的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的?？删幊踢壿嬈骷拿芏雀摺⒓啥雀摺⑸a(chǎn)方便。

1.2.3 硬件描述語言

硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）是一種用形式化的方法來描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言，它是EDA開發(fā)中的很重要的設(shè)計(jì)工具，也是EDA技術(shù)的重要組成部分。

HDL是對電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的一種高級計(jì)算機(jī)語言，用HDL語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以逐層展示自己的設(shè)計(jì)思路，一些復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)可以用一系列分層次的模塊來表達(dá)。早期的硬件描述語言，由不同的廠商和開發(fā)商開發(fā)，彼此之間互不兼容，且不支持多層次的設(shè)計(jì)，這些層次之間的翻譯工作就要由人工完成。而利用VHDL語言的可讀性強(qiáng)，更加容易修改和發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

VHDL即超高速集成電路硬件描述語言，它作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言和EDA的重要組成部分，經(jīng)過十幾年的發(fā)展、應(yīng)用和完善，正逐漸被眾多設(shè)計(jì)者所接受，這種高層次的方法已經(jīng)被廣泛采用。

VHDL即超高速集成電路硬件描述語言，是一種面向設(shè)計(jì)的多領(lǐng)域、多層次的全方位的硬件描述語言，這種語言幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能。VHDL具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）強(qiáng)大的硬件描述能力?？梢杂脕砻枋鱿到y(tǒng)級電路，也可以用來描述門級電路，設(shè)計(jì)描述具有多層次。（2）支持廣泛、易于修改。VHDL已經(jīng)成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，目前，多數(shù)EDA工具都支持VHDL語言，這種高層次的方法已經(jīng)被廣泛采用。（3）作用強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活。它具有作用強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，能用簡潔明了的源代碼來描述復(fù)雜的邏輯控制。（4）移植能力強(qiáng)。

它是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述預(yù)言，同樣一個(gè)設(shè)計(jì)描述可是被多種不同的工具所支持，這樣就使得設(shè)計(jì)描述的移植得以實(shí)現(xiàn)。（5）工藝轉(zhuǎn)換方便。它的設(shè)計(jì)不依賴于特定的器件，工藝轉(zhuǎn)換方便。

2 EDA技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)如今，EDA技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)在教學(xué)應(yīng)用、科研應(yīng)用、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等方面占據(jù)一席之地，發(fā)揮著巨大的作用。

2.1 教學(xué)應(yīng)用

大部分理工科院系都開設(shè)EDA課程。讓學(xué)生在校期間了解EDA技術(shù)的基本原理、HDL硬件描述語言描述系統(tǒng)邏輯的方法，模擬仿真電子電路設(shè)計(jì)，通過實(shí)踐提升學(xué)生的動手與自主能力，為今后從事的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 科研應(yīng)用

電路設(shè)計(jì)與模擬仿真主要使用EWB等工具進(jìn)行，舉個(gè)例子，在CDMA無線通信系統(tǒng)中，移動手機(jī)和無線基站都工作在相同的頻率，每部手機(jī)都有自己唯一的序列碼，用來區(qū)分電話的呼叫。而CDMA的BTS必須能識別這些不同的碼序列才能辨別傳呼進(jìn)程，這是通過在輸入數(shù)據(jù)流中探測到特定的碼序列來完成的。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的應(yīng)用

從電視、冰箱、音響到電子玩具等各種電子產(chǎn)品電路，EDA技術(shù)在模擬研制、仿真、生產(chǎn)、調(diào)試等方面都有著重要的作用?？梢哉f，EDA已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域必不可少的技術(shù)支持。

3 EDA技術(shù)的發(fā)展前景

當(dāng)今社會，電子產(chǎn)品發(fā)展日新月異，為了既快又好地設(shè)計(jì)出新的電子產(chǎn)品，提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品性能，設(shè)計(jì)師需要更加簡便快捷的EDA工具，這對EDA技術(shù)提出了更高的要求。

3.1 EDA技術(shù)發(fā)展的新方向

3.1.1 向高密度、高速度、寬頻帶方向發(fā)展

設(shè)計(jì)方法的更新得益于電子器件的發(fā)展，隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，高密度、高速度和寬頻帶的可編程邏輯產(chǎn)品已經(jīng)成為主流的，這些高密度、大容量的可編程邏輯器件的出現(xiàn)，給現(xiàn)代電子系統(tǒng)（復(fù)雜系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來了非常大的幫助。設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)效率有了新的飛躍，帶來了器件的巨大需求，這種需求又促使器件生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，而每一次工藝的改進(jìn)，可編程邏輯器件的規(guī)模都將有非常大擴(kuò)展。

3.1.2 向可預(yù)測延時(shí)的方向發(fā)展

現(xiàn)如今的大數(shù)據(jù)時(shí)代，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，就需要其具有大的數(shù)據(jù)吞吐量，而且多媒體技術(shù)發(fā)展迅速，圖像及影像的實(shí)時(shí)性要求較高，這就需要有高速的硬件系統(tǒng)。為了可以保證圖像實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性，器件的延時(shí)可預(yù)測性就是一個(gè)重要的因素。所以，邏輯器件的可預(yù)測延時(shí)是非常重要的。

3.1.3 向低電壓、低能耗方向發(fā)展

集成技術(shù)的飛速發(fā)展，工藝水平的日益提升，全世界都掀起了節(jié)能的潮流。因此，要適應(yīng)時(shí)代的潮流，半導(dǎo)體工業(yè)也必須向低電壓、降低能耗方向發(fā)展。

3.2 應(yīng)用前景

在信息通信領(lǐng)域中，需要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、第三代移動通信技術(shù)，積極開拓以數(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，研發(fā)新興的產(chǎn)業(yè)。自動化儀表的技術(shù)發(fā)展趨勢將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步的融合，大力地推廣信息化。

在電子設(shè)計(jì)的研發(fā)中，它可以代替設(shè)計(jì)者完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的絕大部分工作，而且可以直接在程序中修改錯(cuò)誤，系統(tǒng)功能也不需要硬件電路的支持。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)具有更好的開發(fā)手段和性價(jià)比，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

3.3 未來展望

從目前的EDA技術(shù)來看，其發(fā)展趨勢是使用普及、應(yīng)用廣泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。中國EDA市場已經(jīng)日趨成熟，但是大部分的設(shè)計(jì)是面向PCB制板和ASIC領(lǐng)域，只有小部分的設(shè)計(jì)是開發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。

EDA技術(shù)將在自動化儀表的測試技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等方面有較大的突破，在ASIC和PLD設(shè)計(jì)方面，以高速、高密度、低能耗、低電壓等方面發(fā)展。

4 結(jié)語

EDA技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在已涉及電子、通信、機(jī)械、航天、醫(yī)學(xué)、生物、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。所以無論是生活、學(xué)習(xí)、還是工作，都離不開EDA。因此，作為一名大專院校電子類專業(yè)的學(xué)生，我們應(yīng)該熟練掌握EDA技術(shù)用于CPLD/ FP GA 的開發(fā)和知曉EDA技術(shù)在未來發(fā)展的前景，只有這樣才能去適應(yīng)激烈競爭的環(huán)境，在激烈的競爭環(huán)境中取得成績。

[1]杜玉遠(yuǎn). EDA設(shè)計(jì)快速入門[J].電子世界，2004（1）：24-25.

[2]擦光輝. CPLD/TPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

Rsearch on the development of electronic design automation

Qian Gang
（Nanjing Howso Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China）

This paper introduces the concept of electronic design automation, discusses the technical characteristics of the EDA, hardware description language, advantages of VHDL and application of EDA technology in teaching, research and product design, and a collection of EDA technology update process since summed EDA development historical process, the new direction of research EDA technology development is studied and as well as the future development prospects of EDA technology is prospected from different angles.

EDA; digital system; VHDL

錢剛（1986— ），男，江蘇淮安。