EDA技術(shù)的概念及范疇分析

EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計(jì)。
　　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)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)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(jī)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(gè)領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。目前EDA 技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如在飛機(jī)制造過程中，從設(shè)計(jì)、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)。本文所指的EDA技術(shù)，主要針對電子電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和IC設(shè)計(jì)。EDA 設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)級、電路級和物理實(shí)現(xiàn)級。
　　EDA常用軟件
　　EDA 工具層出不窮，目前進(jìn)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(qiáng)的功能，一般可用于幾個(gè)方面，例如很多軟件都可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，同時(shí)以可以進(jìn)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(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件、PLD設(shè)計(jì)工具及其它EDA軟件，進(jìn)行簡單介紹。
　　1、電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具
　　電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具包括SPICE/PSPICE；EWB；Matlab；SystemView；MMICAD等。下面簡單介紹前三個(gè)軟件。
　?。?）SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是由美國加州大學(xué)推出的電路分析仿真軟件，是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用最廣的電路設(shè)計(jì)軟件，1998年被定為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。1984年，美國 MicroSim公司推出了基于SPICE的微機(jī)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(qiáng)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(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)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(shí)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(jìn)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。
　?。?）EWB（Electronic Workbench）軟件 是Interactive ImageTechnologies Ltd 在20世紀(jì)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(qiáng)大，幾乎100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)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(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學(xué)易用。它的很多功能模仿了SPICE的設(shè)計(jì)，但分析功能比PSPICE稍少一些。
　?。?） 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(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。它具有數(shù)據(jù)采集、報(bào)告生成和MATLAB語言編程產(chǎn)生獨(dú)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(jì)算；工程與科學(xué)繪圖；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)字圖像信號處理；財(cái)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(jì)等。MATLAB產(chǎn)品族被廣泛地應(yīng)用于信號與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題的認(rèn)識同時(shí)，提高自身的競爭力。
　　2、PCB設(shè)計(jì)軟件
　　PCB（Printed—Circuit Board）設(shè)計(jì)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(yīng)屬Protel，下面僅對此軟件作一介紹。
　　Protel是PROTEL公司在20世紀(jì)80年代末推出的 CAD工具，是PCB設(shè)計(jì)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(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，現(xiàn)在普遍使用的是Protel99SE，它是個(gè)完整的全方位電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)（包含印刷電路板自動布局布線），可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、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)器體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強(qiáng)大、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。
　　3、IC設(shè)計(jì)軟件
　　IC 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)領(lǐng)域相當(dāng)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(jì)軟件（熊貓2000）；另外近來出名的Avanti公司，是原來在Cadence的幾個(gè)華人工程師創(chuàng)立的，他們的設(shè)計(jì)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(jì)。下出按用途對IC設(shè)計(jì)軟件作一些介紹。
　?。?）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)語言，許多設(shè)計(jì)輸入工具都支持HDL。另外像Active—HDL和其它的設(shè)計(jì)輸入方法，包括原理和狀態(tài)機(jī)輸入方法，設(shè)計(jì)FPGA/CPLD的工具大都可作為IC設(shè)計(jì)的輸入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的開發(fā)工具，Modelsim FPGA等。
　?。?）設(shè)計(jì)仿真工作我們使用EDA工具的一個(gè)最大好處是可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，幾乎每個(gè)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）?，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(yàn)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Design Compile是作綜合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它還有另外一個(gè)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(shè)計(jì)的規(guī)模越來越大，各EDA 公司又開發(fā)了用于FPGA設(shè)計(jì)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。
　?。?）布局和布線 在IC設(shè)計(jì)的布局布線工具中，Cadence軟件是比較強(qiáng)的，它有很多產(chǎn)品，用于標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列已可實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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。
　?。?）物理驗(yàn)證工具 物理驗(yàn)證工具包括版圖設(shè)計(jì)工具、版圖驗(yàn)證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很強(qiáng)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(zhǔn)的當(dāng)數(shù)HSPICE，作為IC設(shè)計(jì)，它的模型最多，仿真的精度也最高。
　　4、PLD設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態(tài)機(jī)、布爾表達(dá)式、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，最后用編程器或下載電纜，由目標(biāo)器件實(shí)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(fù)雜性也隨之提高，目前由專門的軟件公司與器件生產(chǎn)廠家合作，推出功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)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。
　?。?）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(dá)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(shù)的發(fā)展方向。
　?。?）Lattice—Vantis Lattice是ISP（In—System Programmability）技術(shù)的發(fā)明者，ISP技術(shù)極大地促進(jìn)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(qiáng)（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）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)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。
　?。?）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(diǎn)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。
　　（7）ATMEL 中小規(guī)模PLD做得不錯(cuò)。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*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(shè)計(jì)一次性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時(shí)的成本較低。
　?。?）WSI 生產(chǎn)PSD（單片機(jī)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(jī)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(chǔ)，會使用計(jì)算機(jī)，就可以進(jìn)行PLD的開發(fā)。PLD的在線編程能力和強(qiáng)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(fù)雜設(shè)計(jì)集成在一顆 芯片內(nèi)。PLD技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已成為電子工程師必備的技術(shù)。
　　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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(jì)劃，是ASIC設(shè)計(jì)和PLD設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)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。
　　EDA的應(yīng)用
　　EDA在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)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(xué)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(jìn)行電子電路課程的實(shí)驗(yàn)并從事簡單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般學(xué)習(xí)電路仿真工具（如EWB、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(chǔ)。
　　科研方面主要利用電路仿真工具（EWB或PSPICE）進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品測試；將CPLD/FPGA器件實(shí)際應(yīng)用到儀器設(shè)備中；從事PCB設(shè)計(jì)和ASIC設(shè)計(jì)等。
　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面，包括前期的計(jì)算機(jī)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(gè)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的流片過程等。
　　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(jī)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(gè)領(lǐng)域，都有EDA有應(yīng)用。另外，EDA軟件的功能日益強(qiáng)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(jī)械及建筑設(shè)計(jì)，也擴(kuò)展到建筑裝璜及各類效果圖，汽車和飛機(jī)的模型、電影特技等領(lǐng)域。
　　EDA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)用文泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。中國EDA市場已漸趨成熟，不過大部分設(shè)計(jì)工程師面向的是PC主板和小型ASIC領(lǐng)域，僅有小部分（約11%）的設(shè)計(jì)人員工發(fā)復(fù)雜的片上系統(tǒng)器件。為了與臺灣和美國的設(shè)計(jì)工程師形成更有力的競爭，中國的設(shè)計(jì)隊(duì)伍有必要購入一些最新的EDA技術(shù)。
　　在信息通信領(lǐng)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(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、第三代移動通信技術(shù)、信息管理、信息安全技術(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，發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝（CAPP）、計(jì)算機(jī)機(jī)輔助制造（CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、制造資源計(jì)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(luò)制造”，便于合作設(shè)計(jì)、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(shù)發(fā)展趨勢的測試技術(shù)、控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)進(jìn)一步融合，形成測量、控制、通信與計(jì)算機(jī)（M3C）結(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD設(shè)計(jì)方面，向超高速、高密度、低功耗、低電壓方向發(fā)展。
　　外設(shè)技術(shù)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(guān)連接，多屏幕技術(shù)也有所發(fā)展。
　　中國自1995年以來加速開發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，先后建立了幾所設(shè)計(jì)中心，推動系列設(shè)計(jì)活動以應(yīng)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(yīng)的工具。日本、韓國都有ASIC設(shè)計(jì)工具，但不對外開放。中國華大集成電路設(shè)計(jì)中心，也提供IC設(shè)計(jì)軟件，但性能不是很強(qiáng)。相信在不久的將來會有更多更好的設(shè)計(jì)工具有各地開花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)顯示，中國和印度正在成為電子設(shè)計(jì)自動化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個(gè)市場，年復(fù)合增長率分別達(dá)到了50%和30%。
　　EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，完全可以用日新月異來描述。EDA技術(shù)的應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已涉及到各行各業(yè)。EDA水平不斷提高，設(shè)計(jì)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。
?