EDA技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：在簡要介紹了EDA技術(shù)特點的基

礎(chǔ)一L,用EDA技術(shù)作為開發(fā)手段，實現(xiàn)一

個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用了頂層圖形設(shè)

計思想，基于硬件描述語言AI扔L,以可編

程器件為核心，具有體積小、可靠性高、靈

活性強(qiáng)等特點。并比較了EnA技術(shù)與傳統(tǒng)電

子設(shè)計方法的差異，總結(jié)出別rA技術(shù)的優(yōu)

勢。

關(guān)鍵詞：EDA數(shù)字系統(tǒng)CPLDVHDL

電子設(shè)計的必由之路是數(shù)字化，這已成

為共識。在數(shù)字化的道路上，我國的電子技

術(shù)經(jīng)歷了一系列重大的變革。從應(yīng)用小規(guī)模

集成電路構(gòu)成電路系統(tǒng)，到廣泛地應(yīng)用微控

制器或單片機(jī)(MCU),在電子系統(tǒng)設(shè)計上發(fā)

生了具有里程碑意義的飛躍。電子產(chǎn)品正在

以前所未有的速度進(jìn)行著革新，主要表現(xiàn)在

大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膹V泛應(yīng)用。特別在

當(dāng)前，半導(dǎo)體工藝水平已經(jīng)達(dá)到深亞微米,

芯片的集成高達(dá)到千兆位，時鐘頻率也在向

干兆赫茲以上發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)達(dá)到每秒

幾十億次，未來集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢將

是SOC（System0haCh5p）片上系統(tǒng)。從而實現(xiàn)

可編程片上系統(tǒng)芯片CPU（復(fù)雜可編程邏輯

器件）和5PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）必將成為

今后電子系統(tǒng)設(shè)計的一個發(fā)展方向。所以電

子設(shè)計技術(shù)發(fā)展到今天，又將面臨另一次更

大意義的突破，5PGA在EDA（電子設(shè)計自動

化）基礎(chǔ)上的廣泛應(yīng)用。

EDA技術(shù)的概念:EDA是電子設(shè)計自動化

（ElechonicsDes5pAM,toM60n）的縮寫。由

于它是一門剛剛發(fā)展起來的新技術(shù)，涉及面

廣，內(nèi)容豐富，理解各異，所以目前尚無一

個確切的定義。但從EDA技術(shù)的幾個主要方

面的內(nèi)容來看，可以理解為：EDA技術(shù)是以

大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計載體，以硬件

描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式,

以計算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟

件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具，通過有關(guān)的

開發(fā)軟件，自動完成用軟件的方式設(shè)計電子

系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門新技術(shù)?？梢詫崿F(xiàn)邏

輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及

優(yōu)化，邏輯布局布線、邏輯仿真。完成對于

特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程

下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ?/p>

集成芯片。EDA技術(shù)是伴隨著計算機(jī)、集成

電路、電子系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)展起來的，至今已

有30多年的歷程。大致可以分為三個發(fā)展

階段。20世紀(jì)70年代的CAD（計算機(jī)輔助設(shè)

計）階段：這一階段的主要特征是利用計算

機(jī)輔助進(jìn)行電路原理圖編輯，PCB布同布線,

使得設(shè)計師從傳統(tǒng)高度重復(fù)繁雜的繪圖勞

動中解脫出來。20世紀(jì)80年代的QtE（計算

機(jī)輔助工程設(shè)計）階段：這一階段的主要特

征是以邏輯摸擬、定時分析、故障仿真、自

動布局布線為核心，重點解決電路設(shè)計的功

能檢測等問題，使設(shè)計而能在產(chǎn)品制作之前

預(yù)知產(chǎn)品的功能與性能。20吐紀(jì)如年代是

EDA（電子設(shè)計自動化）階段：這一階段的主

要特征是以高級描述語言，系統(tǒng)級仿真和綜

合技術(shù)為特點，采用“自頂向下”的設(shè)計理

念，將設(shè)計前期的許多高層次設(shè)計由EDA工

具來完成。EDA是電子技術(shù)設(shè)計自動化，也

就是能夠幫助人們設(shè)計電子電路或系統(tǒng)的

軟件工具。該工具可以在電子產(chǎn)品的各個設(shè)

計階段發(fā)揮作用，使設(shè)計更復(fù)雜的電路和系

統(tǒng)成為可能。在原理圖設(shè)計階段，可以使用

EDA中的仿真工具論證設(shè)計的正確性；在芯

片設(shè)計階段，可以使用EDA中的芯片設(shè)計工

具設(shè)計制作芯片的版在電路板設(shè)計階段，可

以使用EDA中電路板設(shè)計工具設(shè)計多層電路

板。特別是支持硬件描述語言的EDA工具的

出現(xiàn)，使復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計自動化成為可能,

只要用硬件描述語言將數(shù)字系統(tǒng)的行為描

述正確，就可以進(jìn)行該數(shù)字系統(tǒng)的芯片設(shè)計

與制造。有專家認(rèn)為，21世紀(jì)將是四A技術(shù)

的高速發(fā)展期，EDA技術(shù)將是對21世紀(jì)產(chǎn)生

重大影響的十大技術(shù)之一。

EDA技術(shù)的基本特征:EDA代表了當(dāng)今電

子設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向，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(jī)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

在汁算機(jī)上自動處理完成。設(shè)計者采用的設(shè)

計方法是一種高層次的“自頂向下”的全

新設(shè)計方法，這種設(shè)汁方法首先從系統(tǒng)設(shè)計

人手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)

設(shè)計。在方框圖一級進(jìn)行仿真、.并用硬件

描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在

系統(tǒng)一級進(jìn)行駛證。然后，用綜合優(yōu)化工具

生成具體門電路的網(wǎng)絡(luò)表，其對應(yīng)的物理實

現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?/p>

(ASIC)o設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方

式，即利用硬件描述語言和EDA軟件來完成

對系統(tǒng)硬件功能的實現(xiàn)。由于設(shè)計的主要仿

真和調(diào)試過程是在高層次上完成的，這既有

利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的錯誤，避免設(shè)計

工作的浪費，又減少了邏輯功能仿真的工作

量，提高了設(shè)計的一次性成功率。由于現(xiàn)代

電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和集成度的日益提高，一

般分離的中小規(guī)模集成電路組合已不能滿

足要求，電路設(shè)計逐步地從中小規(guī)模芯片轉(zhuǎn)

為大規(guī)模、超大規(guī)模芯片，具有高速度、高

集成度、低功耗的可編程朋IC器件已蓬勃

發(fā)展起來。在EDA技術(shù)中所用的大規(guī)模、超

大規(guī)模芯片被稱為可編程ASIC芯片，這些

可編程邏輯器件自70年代以來,經(jīng)歷了CPm、

IzPGA、CPLD、FPGA幾個發(fā)展階段，其中

CPm（復(fù)雜可編程邏輯器件）/IzPGA（現(xiàn)場可

編程邏輯器件）肩高密度可編程邏輯器件，

目前集成度已高達(dá)200萬門/片以上，它將

掩模ASIC集成度高的優(yōu)點和可編程邏輯器

件設(shè)計生產(chǎn)方便的特點結(jié)合在一起，特別適

合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，使產(chǎn)品能

以最快的速度上市，而當(dāng)市場擴(kuò)大時，它可

以很容易地轉(zhuǎn)由掩模ASIC實現(xiàn)，因此開發(fā)

風(fēng)險也大為降低?？梢哉fCPLE）/FPGA器件，

已成為現(xiàn)代高層次電子設(shè)計方法的實現(xiàn)裁

體。硬件描述語言（HDL）是EDA技術(shù)的重要

組成部分，是EDA設(shè)計開發(fā)中的很重要的軟

件工具，VHDL即：超高速集成電路硬件描述

語言，仍量凡是作為電子設(shè)計主流硬件的描

述語言。它具有很強(qiáng)的電路描述和建模能力,

能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描述，

從而大大簡化了硬件設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計

較串和可靠性，用V佃L進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計

的一個很大的優(yōu)點是設(shè)計者可以專心致力

于其功能的實現(xiàn)，而不需要對不影響功能的

與工藝有關(guān)的因素花費過多的時間和精力。

例如一個32位的加法器，利用圖形輸入軟

件需要輸入500至1刪個門，而利用VHDL

語言只需要書寫一行“A=B+C”即可。使

用硬件描述語言(HDL)可以用模擬仿真的方

式完成以前必須設(shè)計和制作好的樣機(jī)上才

能進(jìn)行的電子電路特性的說明和調(diào)試。能在

系統(tǒng)行為級就發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的錯誤、問題，

并加以多次反復(fù)修改論證，避免了物理級器

件的損傷和多次制作，節(jié)約了時間和開發(fā)成

本，縮短了電子系統(tǒng)開發(fā)的周期。將EDA技

術(shù)與傳統(tǒng)電子設(shè)計方法進(jìn)行比較可以看出，

傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計只能在電路板上進(jìn)行

設(shè)計，是一種搭積木式的方式，使復(fù)雜電路

的設(shè)計、調(diào)試十分困難；如果某一過程存在

錯誤.查找和修改十分不便；對于集成電路

設(shè)計而言，設(shè)計實現(xiàn)過程與具體生產(chǎn)工藝直

接相關(guān)，因此可移植性差；只有在設(shè)計出樣

機(jī)或生產(chǎn)出芯片后才能進(jìn)行實泅，因而開發(fā)

產(chǎn)品的周期長。而電子EDA技術(shù)則有很大不

同，采用可編程器件，通過設(shè)計芯片來實現(xiàn)

系統(tǒng)功能。采用硬件描述語言作為設(shè)計輸入

和庫(Libraly)的引入，由設(shè)計者定義器件

的內(nèi)部邏輯和管腳，將原來由電路板設(shè)計完

成的大部分工作故在芯片的設(shè)計中進(jìn)行。由

于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設(shè)

計和電路板設(shè)計的工作量和難度，有效增強(qiáng)

了設(shè)計的靈活性，提高了工作效率。并且可

減少芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源

消耗，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。能全方

位地利用計算機(jī)自動設(shè)計、仿真和調(diào)試。

硬件描述語言:硬件描述語言(HDL)是

一種用于進(jìn)行電子系統(tǒng)硬件設(shè)計的計算機(jī)

高級語言，它采用軟件的設(shè)計方法來描述電

子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。

硬件描述語言可以在三個層次上進(jìn)行電路

描述，其層次由高到低分為行為級、R,幾

級和門電路級。常用硬件描述語言有WDL、

Velllq和AHDL語言。WDL語言是一種高級

描述語言，適用于行為級和R,幾級的描述；

Vedlq語言和ABEL語言屬于一種較低級的描

述語言，適用于R,幾級和門電路級的描述。

現(xiàn)在WDL和Velllq作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述

語言，已得到眾多EDA公司的支持，在電子

工程領(lǐng)域，它們已成為事實上的通用硬件描

述語言，承擔(dān)幾乎全部的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計任

務(wù)。應(yīng)用Vf進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計有以下優(yōu)點：

（1）與其他硬件描述語言相比，WDL具有更強(qiáng)

的行為描述能力，強(qiáng)大的行為描述能力是避

開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)

計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。（2）VHDL具

有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大

系統(tǒng)的設(shè)計早期就能檢查設(shè)計系統(tǒng)的功能

可行性，并可以隨時對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。（3）Vf

語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)，決定了它

具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和對已有設(shè)計

的再利用功能。（4）用Vf完成的設(shè)計，可以

利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并可根

據(jù)不同的目標(biāo)芯片自動把Vf描述設(shè)計轉(zhuǎn)變

成門級網(wǎng)表，這種設(shè)計方式極大地減少了電

路設(shè)計的時間及可能發(fā)生的錯誤，從而降低

了開發(fā)成本。（5）VfOL對設(shè)計的描述具有相

對獨立性，可以在設(shè)計者不僵硬件結(jié)構(gòu)的情

況下，也不必管最終設(shè)計的目標(biāo)器件是什么,

而進(jìn)行獨立的設(shè)計。（6）由于VI具有類屬描

述語句和子程序調(diào)用等功能，所以對于已完

成的設(shè)計，可以在不改變源程序的情況廠，

只需改變類屬參量或函數(shù)，就能很容易地改

變及計的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。

EDA技術(shù)的應(yīng)用：電子EDA技術(shù)發(fā)展迅猛,

逐漸在教學(xué)、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(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

基本原理和基本概念、鱗握用佃L描述系統(tǒng)

邏輯的方法、使用扔A工具進(jìn)行電子電路課

程的模擬仿真實驗并在作畢業(yè)設(shè)計時從事

簡單電子系統(tǒng)的設(shè)計，為今后工作打下基礎(chǔ)。

具有代表性的是全國每兩年舉辦一次大學(xué)

生電子設(shè)計競賽活動。在科研方面：主要利

用電路仿真工具（EwB或PSPICE、VLOL等）

進(jìn)行電路設(shè)計與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)

品調(diào)試；將O）LI）/FPGA器件的開發(fā)應(yīng)用到

儀器設(shè)備中。例如在CDMA無線通信系統(tǒng)中，

所有移動手機(jī)和無線基站都工作在相同的

頻譜，為區(qū)別不同的呼叫，每個手機(jī)有一個

唯一的碼序列，CDMA基站必須能判別這些不

同觀點的碼序列才能分辨出不同的傳呼進(jìn)

程；這一判別是通過匹配濾波器的輸出顯示

在輸人數(shù)據(jù)流中探調(diào)到特定的碼序列；FPGA

能提供良好的濾波器設(shè)計，而且能完成DSP

高級數(shù)據(jù)處理功能，因而FPGA在現(xiàn)代通信

領(lǐng)域方面獲得廣泛應(yīng)用。在產(chǎn)品設(shè)計與制造

方面：從高性能的微處理器、數(shù)字信號處理

器一直到彩電、音響和電子玩具電路等，EDA

技術(shù)不單是應(yīng)用干前期的計算機(jī)模擬仿真、

產(chǎn)品調(diào)試，而且也在P哪的制作、電子設(shè)備

的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、朋比的制作

過程等有重要作用?？梢哉f電子EDA技術(shù)已

經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)支持。

EDA技術(shù)發(fā)展趨勢:EDA技術(shù)在進(jìn)入21

世紀(jì)后，由于更大規(guī)模的FPGA和凹m器件

的不斷推出，在仿真和設(shè)計兩方面支持標(biāo)準(zhǔn)

硬件描述語言的功能強(qiáng)大的EDA軟件不斷更

新、增加，使電子EDA技術(shù)得到了更大的發(fā)

展。電子技術(shù)全方位納入EDA領(lǐng)域，EDA使

得電子領(lǐng)域各學(xué)科的界限更加模糊，更加互

為包容，突出表現(xiàn)在以下幾個方面：使電子

設(shè)計成果以自主知識產(chǎn)權(quán)的方式得以明確

表達(dá)和確認(rèn)成為可能；基于EDA工具的ASIC

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)單元已涵蓋大規(guī)模電子系統(tǒng)及IP

核模塊；軟硬件IP核在電子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)

域、技術(shù)領(lǐng)域和設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步確

認(rèn)；SoC高效低成本設(shè)計技術(shù)的成熟。隨著

半導(dǎo)體技術(shù)、集成技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛

發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計手段都發(fā)

生了很大的變化?？梢哉f電子EDA技術(shù)是電

子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命。傳統(tǒng)的“固定功能

集成塊十連線”的設(shè)計方法正逐步地退出

歷史舞臺，而基于芯片的設(shè)計方法正成為現(xiàn)

代電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。作為高等院校有關(guān)

專業(yè)的學(xué)生和廣大的電子工程師了解和攀

握這一先進(jìn)技術(shù)是勢在必行，這不僅是提高

設(shè)計效率的需要，更是時代發(fā)展的需求，只

有攀握了EDA技術(shù)才有能力參與世界電子工

業(yè)市場的競爭，才能生存與發(fā)展。隨著科技

的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的更新日新月異，EDA技

術(shù)作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動力，已成為

現(xiàn)代電子設(shè)計的核心。所以發(fā)展EDA技術(shù)將

是電子設(shè)計領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)界的一場重大

的技術(shù)革命，同時也對電類課程的教學(xué)和科

研提出了更深更高的要求。特別是EDA技術(shù)

在我國尚未普及，掌握和普及這一全新的技

術(shù)，將對我國電子技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意

義。

作為一名電子硬件工程師、大專院校電

子類專業(yè)的在校學(xué)