EDA技術(shù)詳細介紹

1、EDA技術(shù)詳細介紹EDA技術(shù)詳細介紹1.EDA技術(shù)的概念EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信 息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)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(shè)計、性能分析到設(shè)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?，F(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(lǐng)域，都有EDA 的應(yīng)用。目前EDA技術(shù)己在各大公司、企事業(yè)單位

2、和科研教學部門 廣泛使用。例如在飛機制造過程中，從設(shè)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(shù)。木文所指的EDA技術(shù)，主 要針對電子電路設(shè)計、PCB設(shè)計和IC設(shè)計。EDA設(shè)計可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現(xiàn)級。2EDA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、ProteR Viewlogic、MentorGraphics a 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，

3、 例如很多軟件都可以進行電路設(shè)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(yīng)用場合，分為電路設(shè)計與仿真工具、PCB設(shè)計軟件、 IC設(shè)計軟件、PLD設(shè)計工具及其它EDA軟件，進行簡單介紹。2.1電子電路設(shè)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

4、設(shè)計與仿真技術(shù)。說到電子電路設(shè)計與仿真工具這項技術(shù)，就不能不提到美國，不 能不提到他們的飛機設(shè)計為什么有很高的效率。以前我國定型一個 中型飛機的設(shè)計，從草案到詳細設(shè)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(shè)計時大部分采用的是虛擬仿真技術(shù)，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(guān)公式和調(diào)用長期積 累后輸入電腦的相關(guān)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

5、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?？諝鈩恿W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(shè)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(fù)雜到簡單，甚至包括設(shè)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(shè)計大炮和相關(guān)炮彈以及其他計算量大 的設(shè)計)。電子電路設(shè)計與仿真工具包括SPICE/PSPICE;multiSIM?;Matlab;SystemView;WICADLiveWire、 Edi

6、son> TinaProBrightSpark等。下面簡單介紹前三個軟件。SPICE(SimulationProgramwithlntegratedCircuitEmphasis)： 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(yīng)用最廣的電路設(shè)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） o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

7、 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。multiSIM（EWB的最新版本）軟件：是InteractivelmageTechnologiesLtd在20世紀末推出的電路仿真軟 件。其最新版本為目前普遍使用的是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

8、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(luò)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。還具有V分析儀 （相當于真實環(huán)境中的晶體管特性圖示儀）和Agi

9、lent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VerilogHDL仿真。MATLAB產(chǎn)品族：它們的一大特性是有眾多的面向具體應(yīng)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(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進行分析和設(shè)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(shè)計;數(shù)字圖像信號處理;財務(wù)工程;建模、仿真、原型開發(fā);應(yīng)用開發(fā)；圖形用戶界面設(shè)計等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛應(yīng)用于信號 與圖像處理、控

10、制系統(tǒng)設(shè)計、通訊系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)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。2.2PCB設(shè)計軟件PCB（Printed-CircuitBoard）設(shè)計軟件種類很多，如 ProteK OrCAD、 Viewlogic、 PowerPCB> CadencePSD、 MentorGraphices 的 ExpeditionPCB > ZukenCadStart > Winboard/Windraft/Ivex-SPICE > PCBStudi。、TANGO> PCBWizard（與 LiveWi

11、re 配套的 PCB 制作軟件 包）、ultiB0ARD7（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(shè)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(shè)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ProtelDXP,現(xiàn)在普遍使用的是 Protel99SE,它是個完整的全方位電路設(shè)計系統(tǒng)，包含了電原理圖 繪制、模擬電

12、路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計（包 含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯器件設(shè)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(wù)體系結(jié)構(gòu)），同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如0RCAD、 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(shè)計和PCB設(shè)計。2. 3IC設(shè)計軟件IC設(shè)計工具很多，其中按市場所占份額排行為Cadence、 MentorGraphics和Syno

13、psyso這三家都是ASIC設(shè)計領(lǐng)域相當有名 的軟件供應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計。 下面按用途對IC設(shè)計軟件作一些介紹。設(shè)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、 VerilogHDL是主要設(shè)計語言，許多設(shè)計輸入工具都支持HDL（比如說 multiS

14、IM等）。另外像Active-HDL和其它的設(shè)計輸入方法，包括原 理和狀態(tài)機輸入方法，設(shè)計FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設(shè)計的 輸入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具 ModelsimFPGA 等。設(shè)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(shè)計是否正確，幾 乎每個公司的EDA產(chǎn)品都有仿真工具。Verilog-XL> NOverilog用 于 Verilog 仿真，Leapfrog 用于 VHDL 仿真，AnalogArtist 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，VC

15、S-verilog 仿真器。Mentor Graphics 有 其子公司ModelTech出品的VHDL和Verilog雙仿真器：ModelSimc Cadence> Synopsys用的是VSS （VHDL仿真器）?，F(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。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DesignCompile是作為一個綜合的工業(yè)標準，它 還有另外一個產(chǎn)品叫BehaviorCompiler,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5

16、0萬門的電路，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(shè)計的規(guī)模越來越大，各EDA公司又開發(fā)了用于FPGA設(shè) 計的綜合軟件，比較有名的有：Synopsys的FPGAExpress, Cadence 的Synplity, Mentor的Leonardo,這三家的FPGA綜合軟件占了市 場的絕大部分。布局和布線在IC設(shè)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 Cadencespectra,它原來是用于PCB布線的，后來Cadence把它用 來

17、作IC的布線。其主要工具有：Cell3, SiliconEnsemble-標準單 元布線器；GateEnsemb 1 e-門陣列布線器；Des i gnP lanner-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。物理驗證 工具物理驗證工具包括版圖設(shè)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。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 P

18、SPICE、MetaSoft 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(shè) 計，其模型多，仿真的精度也高。2. 4PLD設(shè)計工具PLD (ProgrammableLogicDevice)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 (ComplexPLD)和 FPGA(Fie 1 dProgrammab 1 eGateArray) o 它們的 基本設(shè)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(yīng)的目標文件，最后用編程器或下載 電纜，由目標器件實現(xiàn)。

19、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(fù)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(shè)計軟件。下面介紹主要器件生產(chǎn) 廠家和開發(fā)工具。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+PLUSH是較成功的PLD開發(fā)平臺，最新又推出了 QuartusII開發(fā)軟件。Altera公司提供較多形式

20、的設(shè)計輸入手段， 綁定第三方VHDL綜合工具，如：綜合軟件FPGAExpress、 LeonardSpectrum,仿真軟件 Model Sim。ILINX： 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-IIPro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?？梢灾vAltera和

21、 Xilinx共同決定了 PLD技術(shù)的發(fā)展方向。（§）Lattice-Vantis： Lattice 是 ISP（In-SystemProgrammability） 技術(shù)的發(fā)明者。ISP技術(shù)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(shù)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(yīng)商。 2001年12月收購Agere公司（原Lucent微電子部

22、）的FPGA部門。 主要產(chǎn)品有 isPLSI2000/5000/8000, MACH4/5。ACTEL：反熔絲（一次性燒寫）PLD的領(lǐng)導(dǎo)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。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。Lucent：主要特點是有不少用于通訊領(lǐng)域的專用IP核，但 PLD/FPGA不是Lucent的主要業(yè)務(wù)，在中國地區(qū)使用的人很少。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

23、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。Cie軟rLogic：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(shè)計一次性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成 本較低。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。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(chǔ)，會使用計算機，就 可以進行PLD的開發(fā)。PLD的

24、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(fù)雜設(shè)計集成在一顆芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在發(fā)達國 家己成為電子工程師必備的技術(shù)。2. 5其它EDA軟件VHDL語言：超高速集成電路硬件描述語言 （VHSICHardwareDeseriptionLanguagt,簡稱 VHDL）,是 IEEE 的一 項標準設(shè)計語言。它源于美國國防部提出的超高速集成電路 （VeryHighSpeedlntegratedCircuit,簡稱 VHS1C）計劃，是 ASIC 設(shè) 計和PLD設(shè)計的一種主要輸入工具。VeriolgHDL：是Verilog公司推出的

25、硬件描述語言，在ASIC 設(shè)計方面與VHDL語言平分秋色。其它EDA軟件如專門用于微波電路設(shè)計和電力載波工具、PCB 制作和工藝流程控制等領(lǐng)域的工具，在此就不作介紹了。3EDA的應(yīng)用EDA在教學、科研、產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shè)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

26、件結(jié)構(gòu)及開發(fā)系統(tǒng))，為今后工作打下基礎(chǔ)。科研方面主要利用電路仿真工具(multiSIM或PSPICE)進行電路 設(shè)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(yīng) 用到儀器設(shè)備中;從事PCB設(shè)計和ASIC設(shè)計等。在產(chǎn)品設(shè)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(yīng)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(shù)應(yīng) 用、產(chǎn)品測試等各個環(huán)節(jié)。如PCB的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、 電路板的焊接、ASIC的制作過程等。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，EDA技術(shù)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(lǐng)域，都有EDA應(yīng)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(shè)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(lǐng)域。4EDA技術(shù)的發(fā)展趨勢從目前的EDA技術(shù)來看，其發(fā)展趨勢是政府重視、使用普及、應(yīng) 用廣泛、工具多樣、軟件功能強大。中國ED