EDA技術詳細介紹

　　1.EDA技術的概念

　　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。

　　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版圖的整個過程的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。

　　2 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：multiSIM7(原EWB的最新版本)、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、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，同進還可以進行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。

　　2.1 電子電路設計與仿真工具

　　我們大家可能都用過試驗板或者其他的東西制作過一些電子制做來進行實踐。但是有的時候，我們會發(fā)現(xiàn)做出來的東西有很多的問題，事先并沒有想到，這樣一來就浪費了我們的很多時間和物資。而且增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期和延續(xù)了產(chǎn)品的上市時間從而使產(chǎn)品失去市場競爭優(yōu)勢。有沒有能夠不動用電烙鐵試驗板就能知道結(jié)果的方法呢?結(jié)論是有，這就是電路設計與仿真技術。

　　說到電子電路設計與仿真工具這項技術，就不能不提到美國，不能不提到他們的飛機設計為什么有很高的效率。以前我國定型一個中型飛機的設計，從草案到詳細設計到風洞試驗再到最后出圖到實際投產(chǎn)，整個周期大概要10年。而美國是1年。為什么會有這樣大的差距呢?因為美國在設計時大部分采用的是虛擬仿真技術，把多年積累的各項風洞實驗參數(shù)都輸入電腦，然后通過電腦編程編寫出一個虛擬環(huán)境的軟件，并且使它能夠自動套用相關公式和調(diào)用長期積累后輸入電腦的相關經(jīng)驗參數(shù)。這樣一來，只要把飛機的外形計數(shù)據(jù)放入這個虛擬的風洞軟件中進行試驗，哪里不合理有問題就改動那里，直至最佳效果，效率自然高了，最后只要再在實際環(huán)境中測試幾次找找不足就可以定型了，從他們的波音747到F16都是采用的這種方法。空氣動力學方面的數(shù)據(jù)由資深專家提供，軟件開發(fā)商是IBM，飛行器設計工程師只需利用仿真軟件在計算機平臺上進行各種仿真調(diào)試工作即可。同樣，他們其他的很多東西都是采用了這樣類似的方法，從大到小，從復雜到簡單，甚至包括設計家具和作曲，只是具體軟件內(nèi)容不同。其實，他們發(fā)明第一代計算機時就是這個目的(當初是為了高效率設計大炮和相關炮彈以及其他計算量大的設計)。

　　電子電路設計與仿真工具包括SPICE/PSPICE;multiSIM7;Matlab;SystemView;MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。下面簡單介紹前三個軟件。

　　①SPICE(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)。現(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(jié)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(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫。

　　②multiSIM(EWB的最新版本)軟件：是Interactive Image Technologies Ltd在20世紀末推出的電路仿真軟件。其最新版本為multiSIM7，目前普遍使用的是multiSIM2001，相對于其它EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機交互界面，特別是其儀器儀表庫中的各儀器儀表與操作真實實驗中的實際儀器儀表完全沒有兩樣，但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不遜色，幾乎能夠100%地仿真出真實電路的結(jié)果，并且它在儀器儀表庫中還提供了萬用表、信號發(fā)生器、瓦特表、雙蹤示波器(對于multiSIM7還具有四蹤示波器)、波特儀(相當實際中的掃頻儀)、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表。還提供了我們?nèi)粘３Ｒ姷母鞣N建模精確的元器件，比如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等等。模擬集成電路方面有各種運算放大器、其他常用集成電路。數(shù)字電路方面有74系列集成電路、4000系列集成電路、等等還支持自制元器件。MultiSIM7還具有I-V分析儀(相當于真實環(huán)境中的晶體管特性圖示儀)和Agilent信號發(fā)生器、Agilent萬用表、Agilent示波器和動態(tài)邏輯平筆等。同時它還能進行VHDL仿真和Verilog HDL仿真。

　　③MATLAB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(jié)構(gòu)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。 2.2 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、PCBWizard(與LiveWire配套的PCB制作軟件包)、ultiBOARD7(與multiSIM2001配套的PCB制作軟件包)等等。

　　目前在我國用得最多當屬Protel，下面僅對此軟件作一介紹。

　　Protel是PROTEL(現(xiàn)為Altium)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，在很多的大、中專院校的電路專業(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，其最新版本為Protel DXP，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/服務體系結(jié)構(gòu))，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(同時具有電路仿真功能和PLD開發(fā)功能)、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。

　　2.3 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。下面按用途對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(比如說multiSIM等)。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是作為一個綜合的工業(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個軟件叫Ambit，據(jù)說比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，HSPICE作為IC設計，其模型多，仿真的精度也高。

　　2.4 PLD設計工具

　　PLD(Programmable Logic Device)是一種由用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)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)廠家使用，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。

　　①ALTERA：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。

　　②ILINX：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，在日本和亞太地區(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。可以講Altera和Xilinx共同決定了PLD技術的發(fā)展方向。

　　③Lattice-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。

　　④ACTEL：反熔絲(一次性燒寫)PLD的領導者。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。

　　⑤Quicklogic：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。

　　⑥Lucent：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。

　　⑦ATMEL：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(zhì)上與原廠家還是有一些差距，在高可靠性產(chǎn)品中使用較少，多用在低端產(chǎn)品上。

　　⑧Clear 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。

　　⑨WSI：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。

　　順便提一下：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。 2.5 其它EDA軟件

　　①VHDL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。

　　②Veriolg 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。

　　3 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驗證并從事簡單系統(tǒng)的設計。一般學習電路仿真工具(如multiSIM、PSPICE)和PLD開發(fā)工具(如Altera/Xilinx的器件結(jié)構(gòu)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(multiSIM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的制作過程等。

　　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、航空航航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學、軍事等各個領域，都有EDA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。

　　4 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、應用廣泛、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PCB制板和小型ASIC領域，僅有小部分(約11%)的設計人員開發(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引進和學習一些最新的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(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD設計方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方面發(fā)展。

　　外設技術與EDA工程相結(jié)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在各地開花并結(jié)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，年夏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)水平仍很有限，尚需迎頭趕上。

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