EDA技術的概念及范疇
EDA技術是在電子CAD技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng),是指以計算機為工作平臺,融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果,進行電子產(chǎn)品的自動設計。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201706/358184.htm利用EDA工具,電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設計電子系統(tǒng),大量工作可以通過計算機完成,并可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。
現(xiàn)在對EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域,都有EDA的應用。目前EDA 技術已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學部門廣泛使用。例如在飛機制造過程中,從設計、性能測試及特性分析直到飛行模擬,都可能涉及到EDA技術。本文所指的EDA技術,主要針對電子電路設計、PCB設計和IC設計。EDA 設計可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級。
EDA常用軟件
EDA 工具層出不窮,目前進入我國并具有廣泛影響的EDA軟件有:EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、 Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。這些工具都有較強的功能,一般可用于幾個方面,例如很多軟件都可以進行電路設計與仿真,同時以可以進行PCB自動布局布線,可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。下面按主要功能或主要應用場合,分為電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具及其它EDA軟件,進行簡單介紹。
1、電子電路設計與仿真工具
電子電路設計與仿真工具包括SPICE/PSPICE;EWB;Matlab;SystemView;MMICAD等。下面簡單介紹前三個軟件。
(1)SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件,是20世紀80年代世界上應用最廣的電路設計軟件,1998年被定為美國國家標準。1984年,美國 MicroSim公司推出了基于SPICE的微機版PSPICE(Personal—SPICE)?,F(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2,可以說在同類產(chǎn)品中,它是功能最為強大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件,在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真,都可以得到精確的仿真結果,并可以自行建立元器件及元器件庫。
(2)EWB(Electronic Workbench)軟件 是Interactive ImageTechnologies Ltd 在20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2,相對于其它EDA軟件,它是較小巧的軟件(只有16M)。但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強大,幾乎100%地仿真出真實電路的結果,并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀,易學易用。它的很多功能模仿了SPICE的設計,但分析功能比PSPICE稍少一些。
(3) MATLAB產(chǎn)品族它們的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱和仿真塊,包含了完整的函數(shù)集用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設計、神經(jīng)網(wǎng)絡等特殊應用進行分析和設計。它具有數(shù)據(jù)采集、報告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨立C/C++代碼等功能。MATLAB產(chǎn)品族具有下列功能:數(shù)據(jù)分析;數(shù)值和符號計算;工程與科學繪圖;控制系統(tǒng)設計;數(shù)字圖像信號處理;財務工程;建模、仿真、原型開發(fā);應用開發(fā);圖形用戶界面設計等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛地應用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設計、通訊系統(tǒng)仿真等諸多領域。開放式的結構使MATLAB產(chǎn)品族很容易針對特定的需求進行擴充,從而在不斷深化對問題的認識同時,提高自身的競爭力。
2、PCB設計軟件
PCB(Printed—Circuit Board)設計軟件種類很多,如Protel; OrCAD;Viewlogic; PowerPCB; Cadence PSD;MentorGraphices的Expedition PCB;Zuken CadStart; Winboard/Windraft/Ivex-SPICE;PCB Studio; TANGO等等。目前在我國用得最多應屬Protel,下面僅對此軟件作一介紹。
Protel是PROTEL公司在20世紀80年代末推出的 CAD工具,是PCB設計者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用,普及率最高,有些高校的電路專業(yè)還專門開設Protel課程,幾乎所在的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作為印刷板自動布線工具使用,現(xiàn)在普遍使用的是Protel99SE,它是個完整的全方位電路設計系統(tǒng),包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計(包含印刷電路板自動布局布線),可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客戶/服務器體系結構,同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式,如ORCAD、 PSPICE、EXCEL等。使用多層印制線路板的自動布線,可實現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強大、界面友好、使用方便,但它最具代表性的是電路設計和PCB設計。
3、IC設計軟件
IC 設計工具很多,其中按市場所占份額排行為Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設計領域相當有名的軟件供應商。其它公司的軟件相對來說使用者較少。中國華大公司也提供ASIC 設計軟件(熊貓2000);另外近來出名的Avanti公司,是原來在Cadence的幾個華人工程師創(chuàng)立的,他們的設計工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常適用于深亞微米的IC設計。下出按用途對IC設計軟件作一些介紹。
(1)設計輸入工具這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述語言VHDL、 Verilog HDL是主要設計語言,許多設計輸入工具都支持HDL。另外像Active—HDL和其它的設計輸入方法,包括原理和狀態(tài)機輸入方法,設計FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設計的輸入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具,Modelsim FPGA等。
(2)設計仿真工作我們使用EDA工具的一個最大好處是可以驗證設計是否正確,幾乎每個公司的EDA 產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真,Leapfrog用于VHDL仿真,Analog Artist用于模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim門級電路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS— verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog雙仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。現(xiàn)在的趨勢是各大EDA公司都逐漸用HDL仿真器作為電路驗證的工具。
(3)綜合工具 綜合工具可以把HDL變成門級網(wǎng)表。這方面Synopsys工具占有較大的優(yōu)勢,它的Design Compile是作綜合的工業(yè)標準,它還有另外一個產(chǎn)品叫Behavior Compiler,可以提供更高級的綜合。另外最近美國又出了一家軟件叫Ambit,說是比Synopsys的軟件更有效,可以綜合50萬門的電路,速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收購,為此Cadence放棄了它原來的綜合軟件Synergy。隨著FPGA設計的規(guī)模越來越大,各EDA 公司又開發(fā)了用于FPGA設計的綜合軟件,比較有名的有:Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,這三家的FPGA綜合軟件占了市場的絕大部分。
(4)布局和布線 在IC設計的布局布線工具中,Cadence軟件是比較強的,它有很多產(chǎn)品,用于標準單元、門陣列已可實現(xiàn)交互布線。最有名的是Cadence spectra,它原來是用于PCB布線的,后來Cadence把它用來作IC的布線。其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble—標準單元布線器;Gate Ensemble—門陣列布線器;Design Planner—布局工具。其它各EDA軟件開發(fā)公司也提供各自的布局布線工具。
(5)物理驗證工具 物理驗證工具包括版圖設計工具、版圖驗證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很強的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。
(6)模擬電路仿真器前面講的仿真器主要是針對數(shù)字電路的,對于模擬電路的仿真工具,普遍使用SPICE,這是唯一的選擇。只不過是選擇不同公司的SPICE,像 MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE現(xiàn)在被Avanti公司收購了。在眾多的SPICE中,最好最準的當數(shù)HSPICE,作為IC設計,它的模型最多,仿真的精度也最高。
4、PLD設計工具
PLD(Programmable Logic Device)是一種由用戶根據(jù)需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。目前主要有兩大類型:CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它們的基本設計方法是借助于EDA軟件,用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語言等方法,生成相應的目標文件,最后用編程器或下載電纜,由目標器件實現(xiàn)。生產(chǎn)PLD的廠家很多,但最有代表性的PLD廠家為Altera、Xilinx和Lattice 公司。
PLD的開發(fā)工具一般由器件生產(chǎn)廠家提供,但隨著器件規(guī)模的不斷增加,軟件的復雜性也隨之提高,目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家合作,推出功能強大的設計軟件。下面介紹主要器件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。
(1) ALTERA 20世紀90年代以后發(fā)展很快。主要產(chǎn)品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其開發(fā)工具—MAX+PLUS II是較成功的PLD開發(fā)平臺,最新又推出了Quartus II開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式的設計輸入手段,綁定第三方VHDL綜合工具,如:綜合軟件FPGA Express、Leonard Spectrum,仿真軟件ModelSim。
(2)XILINX FPGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全,主要有;XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的 Vertex—II Pro器件已達到800萬門。開發(fā)軟件為Foundation和ISE。通常來說,在歐洲用Xilinx的人多,在***和亞太地區(qū)用ALTERA的人多,在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的??梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD 技術的發(fā)展方向。
(3)Lattice—Vantis Lattice是ISP(In—System Programmability)技術的發(fā)明者,ISP技術極大地促進了PLD產(chǎn)品的發(fā)展,與ALTERA和XILINX相比,其開發(fā)工具比Altera 和Xilinx略遜一籌。中小規(guī)模PLD比較有特色,大規(guī)模PLD的競爭力還不夠強(Lattice沒有基于查找表技術的大規(guī)模FPGA),1999年推出可編程模擬器件,1999年收購Vantis(原AMD子公司),成為第三大可編程邏輯器件供應商。2001年12月收購Agere公司(原 Lucent微電子部)的FPGA部門。主要產(chǎn)品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。
(4)ACTEL 反熔絲(一次性燒寫)PLD的領導得,由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快,所以在軍品和宇航級上有較大優(yōu)勢。ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航級市場。
(5)Quicklogic專業(yè)PLD/FPGA公司,以一次性反熔絲工藝為主,在中國地區(qū)銷售量不大。
(6)Lucent 主要特點是有不少用于通訊領域的專用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè)務,在中國地區(qū)使用的人很少。
(7)ATMEL 中小規(guī)模PLD做得不錯。ATMEL也做了一些與Altera和Xilinx兼容的片子,但在品質上與原廠家還是有一些差距,在高可*性產(chǎn)品中使用較少,多用在低端產(chǎn)品上。
(8)Clear Logic 生產(chǎn)與一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片,這種芯片可將用戶的設計一次性固化,不可編程,批量生產(chǎn)時的成本較低。
(9)WSI 生產(chǎn)PSD(單片機可編程外圍芯片)產(chǎn)品。這是一種特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,并支持ISP(在線編程),集成度高,主要用于配合單片機工作。
PLD (可編程邏輯器件)是一種可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路,只要有數(shù)字電路基礎,會使用計算機,就可以進行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強大的開發(fā)軟件,使工程師可以在幾天,甚至幾分鐘內(nèi)就可完成以往幾周才能完成的工作,并可將數(shù)百萬門的復雜設計集成在一顆 芯片內(nèi)。PLD技術在發(fā)達國家已成為電子工程師必備的技術。
5、其它EDA軟件
(1) VHDL語言 超高速集成電路硬件描述語言(VHSIC Hardware Deseription Languagt,簡稱VHDL),是IEEE的一項標準設計語言。它源于美國國防部提出的超高速集成電路(Very High Speed Integrated Circuit,簡稱VHSIC)計劃,是ASIC設計和PLD設計的一種主要輸入工具。
(2)Veriolg HDL 是Verilog公司推出的硬件描述語言,在ASIC設計方面與VHDL語言平分秋色。
(3)其它EDA軟件如專門用于微波電路設計和電力載波工具、PCB制作和工藝流程控制等領域的工具,在此就不作介紹了。
EDA的應用
EDA在教學、科研、產(chǎn)品設計與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學方面,幾乎所有理工科(特別是電子信息)類的高校都開設了EDA課程。主要是讓學生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL語言編寫規(guī)范、掌握邏輯綜合的理論和算法、使用EDA工具進行電子電路課程的實驗并從事簡單系統(tǒng)的設計。一般學習電路仿真工具(如EWB、PSPICE)和PLD開發(fā)工具(如Altera/Xilinx的器件結構及開發(fā)系統(tǒng)),為今后工作打下基礎。
科研方面主要利用電路仿真工具(EWB或PSPICE)進行電路設計與仿真;利用虛擬儀器進行產(chǎn)品測試;將CPLD/FPGA器件實際應用到儀器設備中;從事PCB設計和ASIC設計等。
在產(chǎn)品設計與制造方面,包括前期的計算機仿真,產(chǎn)品開發(fā)中的EDA工具應用、系統(tǒng)級模擬及測試環(huán)境的仿真,生產(chǎn)流水線的EDA技術應用、產(chǎn)品測試等各個環(huán)節(jié)。如PCB的制作、電子設備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、ASIC的流片過程等。
從應用領域來看,EDA技術已經(jīng)滲透到各行各業(yè),如上文所說,包括在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域,都有EDA有應用。另外,EDA軟件的功能日益強大,原來功能比較單一的軟件,現(xiàn)在增加了很多新用途。如AutoCAD軟件可用于機械及建筑設計,也擴展到建筑裝璜及各類效果圖,汽車和飛機的模型、電影特技等領域。
EDA技術的發(fā)展趨勢
從目前的EDA技術來看,其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及、應用文泛、工具多樣、軟件功能強大。中國EDA市場已漸趨成熟,不過大部分設計工程師面向的是PC主板和小型ASIC領域,僅有小部分(約11%)的設計人員工發(fā)復雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺灣和美國的設計工程師形成更有力的競爭,中國的設計隊伍有必要購入一些最新的EDA技術。
在信息通信領域,要優(yōu)先發(fā)展高速寬帶信息網(wǎng)、深亞微米集成電路、新型元器件、計算機及軟件技術、第三代移動通信技術、信息管理、信息安全技術,積極開拓以數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術為基礎的新一代信息產(chǎn)品,發(fā)展新興產(chǎn)業(yè),培育新的經(jīng)濟增長點。要大力推進制造業(yè)信息化,積極開展計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助工藝(CAPP)、計算機機輔助制造(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、制造資源計劃(MRPII)及企業(yè)資源管理(ERP)等。有條件的企業(yè)可開展“網(wǎng)絡制造”,便于合作設計、合作制造,參與國內(nèi)和國際競爭。開展“數(shù)控化”工程和“數(shù)字化”工程。自動化儀表的技術發(fā)展趨勢的測試技術、控制技術與計算機技術、通信技術進一步融合,形成測量、控制、通信與計算機(M3C)結構。在ASIC和PLD設計方面,向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。
外設技術與EDA工程相結合的市場前景看好,如組合超大屏幕的相關連接,多屏幕技術也有所發(fā)展。
中國自1995年以來加速開發(fā)半導體產(chǎn)業(yè),先后建立了幾所設計中心,推動系列設計活動以應對亞太地區(qū)其它EDA市場的競爭。
在EDA 軟件開發(fā)方面,目前主要集中在美國。但各國也正在努力開發(fā)相應的工具。日本、韓國都有ASIC設計工具,但不對外開放。中國華大集成電路設計中心,也提供IC設計軟件,但性能不是很強。相信在不久的將來會有更多更好的設計工具有各地開花并結果。據(jù)最新統(tǒng)計顯示,中國和印度正在成為電子設計自動化領域發(fā)展最快的兩個市場,年復合增長率分別達到了50%和30%。
EDA技術發(fā)展迅猛,完全可以用日新月異來描述。EDA技術的應用廣泛,現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。EDA水平不斷提高,設計工具趨于完美的地步。EDA市場日趨成熟,但我國的研發(fā)水平沿很有限,需迎頭趕上。
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