第一章EDA技術應用綜述

1、第一章EDA技術應用綜述EDAEDA技術概述技術概述 信息社會的發(fā)展離不開集成電路，現代電信息社會的發(fā)展離不開集成電路，現代電子產品在性能提高、復雜度增大的同時，價格子產品在性能提高、復雜度增大的同時，價格卻一直呈下降趨勢，而且產品更新?lián)Q代的步伐卻一直呈下降趨勢，而且產品更新?lián)Q代的步伐也越來越快。當前集成電路正朝著速度快、容也越來越快。當前集成電路正朝著速度快、容量大、體積小、功耗低的方向發(fā)展。量大、體積小、功耗低的方向發(fā)展。EDAEDA技術及其發(fā)展歷程技術及其發(fā)展歷程 EDA EDA技術的特征和優(yōu)勢技術的特征和優(yōu)勢EDAEDA設計的目標和流程設計的目標和流程 硬件描述語言硬件描述語言 EDA

2、 EDA技術與技術與ASICASIC設計設計EDAEDA技術的發(fā)展趨勢技術的發(fā)展趨勢 EDAEDA設計工具設計工具 EDAEDA技術概述技術概述vEDAEDA技術簡介技術簡介 EDA即電子設計自動化（Electronic Design Automation），是隨著集成電路和計算機技術飛速發(fā)展應運而生的一種快速、有效、高級的電子設計自動化工具。EDA工具融合了應用電子技術、計算機技術和智能化技術的最新成果，主要能輔助進行三方面的設計工作：集成電路（IC）設計、電子電路設計以及印刷電路板（PCB）設計。 1.1 EDA1.1 EDA技術及其發(fā)展歷程技術及其發(fā)展歷程 vEDAEDA技術發(fā)展階段技術

3、發(fā)展階段1.1 EDA1.1 EDA技術及其發(fā)展歷程技術及其發(fā)展歷程 CAD階段 CAE階段 設計自動化階段 vEDAEDA技術的最新發(fā)展技術的最新發(fā)展（1）電子技術各個領域全方位融入EDA技術，傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)設計建模理念發(fā)生了重大的變化。（2）IP核的在電子行業(yè)得到了廣泛應用。（3）在FPGA實現DSP應用成為可能。（4）SOPC技術步入了大規(guī)模應用階段。（5）各種EDA工具的推出，使得電子系統(tǒng)設計和驗證趨于簡單。（6）EDA技術使得電子領域各學科的界限更加模糊，更加相互包容和滲透。1.1 EDA1.1 EDA技術及其發(fā)展歷程技術及其發(fā)展歷程 在現代電子設計領域，EDA技術已經成為電子系統(tǒng)設

4、計的重要手段。無論是設計數字系統(tǒng)還是集成電路芯片，其設計作業(yè)的復雜程度都在不斷增加，僅僅依靠手工進行設計已經不能滿足要求，所有的設計工作都需要在計算機上借助于EDA軟件工具進行。利用EDA設計工具，設計者可以預知設計結果，減少設計的盲目性，極大地提高設計的效率。1.2 EDA1.2 EDA技術的特征和優(yōu)勢技術的特征和優(yōu)勢 現代EDA技術的基本特征是采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力，具有開放式的設計環(huán)境，具有豐富的元件模型庫等?；咎卣髦饕校?硬件描述語言設計輸入 用硬件描述語言進行電路與系統(tǒng)的設計是當前EDA技術的一個重要特征，硬件描述語言輸入是現代EDA系統(tǒng)的主要輸入方式。 1.

5、2.1 EDA1.2.1 EDA技術的基本特征技術的基本特征 “自頂向下”設計方法1.2.1 EDA1.2.1 EDA技術的基本特征技術的基本特征 Bottom-up 行為設計 系統(tǒng)分解 結構設計 單元設計 邏輯設計 電路設計 功能塊劃分 子系統(tǒng)設計 版圖設計 系統(tǒng)總成Top-down 邏輯綜合與優(yōu)化 邏輯綜合是上世紀90年代電子學領域興起的一種新的設計方法，是以系統(tǒng)級設計為核心的高層次設計 開放性和標準化 開放式的設計環(huán)境也稱之為框架結構?？蚣苁且环N軟件平臺結構，它在EDA系統(tǒng)中負責協(xié)調設計設計過程和管理設計數據，實現數據與工具的雙向流動，為EDA工具提供合適的操作環(huán)境。 庫（Library

6、）EDA工具必須配有豐富的庫（元器件圖形符號庫、元器件模型庫、工藝參數庫、標準單元庫、可復用的電路模塊庫、IP庫等）。1.2.1 EDA1.2.1 EDA技術的基本特征技術的基本特征 傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計一般采用搭“積木塊”的手工設計方式,相之下，采用EDA技術進行電子系統(tǒng)的設計有著很大的優(yōu)勢： 采用硬件描述語言，便于復雜系統(tǒng)的設計； 強大的系統(tǒng)建模和電路仿真功能； 具有自主的知識產權; 開發(fā)技術的標準化和規(guī)范化; 全方位地利用計算機的自動設計、仿真和測試技術; 對設計者的硬件知識和硬件經驗要求低。1.2.2 EDA1.2.2 EDA技術的優(yōu)勢技術的優(yōu)勢 EDA技術的范疇應包括電子工程師進行產品

7、開發(fā)的全過程。EDA技術可粗略分為系統(tǒng)級、電路級和物理實現級三個層次的輔助設計過程。EDA技術的范疇如圖所示。1.3 EDA1.3 EDA設計的目標和流程設計的目標和流程數字系統(tǒng)模塊化設計數字系統(tǒng)模塊化設計器件模型庫系統(tǒng)仿真器件模型庫系統(tǒng)仿真數字電路設計數字電路設計模擬電路設計模擬電路設計FPGA設計設計ASIC版圖設計版圖設計PCB設計設計混合電路設計混合電路設計EDAEDA工具工具 一般地說，利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計，歸納起來主要有以下4個應用領域： 印刷電路板（PCB）設計； 集成電路（IC或ASIC）設計； 可編程邏輯器件（FPGA/CPLD）設計； 混合電路設計。1.3.1 E

8、DA1.3.1 EDA技術的實現目標技術的實現目標 利用EDA技術進行電路設計的大部分工作是在EDA軟件平臺上進行的。一個典型的EDA設計流程主要包括設計準備、設計輸入、設計處理、器件編程和設計驗證等5個基本步驟，如圖所示。1.3.2 EDA1.3.2 EDA設計流程設計流程設計輸入設計輸入設計驗證設計驗證設計處理設計處理設計準備設計準備器件編程器件編程 首先是系統(tǒng)描述，在這個階段中要對用戶的需求，市場前景以及互補產品進行充分的調研與分析；對設計模式和制造工藝的選擇進行認證；最終目標是用工程化語言將待設計IC的技術指標、功能、外形尺寸、芯片面積、工作速度與功耗等描述出來。 其次是功能設計，這一

9、階段的工作是根據用戶提出的系統(tǒng)指標要求，將該系統(tǒng)劃分成若干個子系統(tǒng)，在行為級上將IC的功能及其各組成子系統(tǒng)的功能關系正確而完整的描述出來。 最后是進行物理設計，包括版圖設計與版圖驗證兩方面。1.3.3 1.3.3 數字集成電路的設計數字集成電路的設計v數字集成電路的設計流程數字集成電路的設計流程 1.3.3 1.3.3 數字集成電路的設計數字集成電路的設計系統(tǒng)描述（指標要求）功能設計邏輯設計邏輯模擬電路設計電路模擬版圖設計版圖驗證（DRC、ERC、LVS）工藝設計（結構和參數）不合格不合格不合格數字IC版圖數字集成電路的設計流程數字集成電路的設計流程v模擬集成電路的設計流程模擬集成電路的設計流

10、程 整個流程分為結構級設計、單元級設計（又分為拓撲選擇、尺寸優(yōu)化兩步）和物理版圖級設計三個階段。 結構設計是將用戶給定的關于模擬集成電路性能的抽象描述轉化為一個用各種功能單元所構成的電路； 拓撲選擇是根據功能單元的性能指標和工作環(huán)境，決定用何種具體的電路結構來實現該單元的功能； 尺寸優(yōu)化是在獲得電路結構的條件下，根據所需的電路性能指標和生產條件確定每個器件的“最佳”幾何尺寸，提高合格率； 物理版圖級設計是將具有器件幾何尺寸和滿足一定約束條件的電原理圖映射成集成電路版圖。1.3.4 1.3.4 模擬集成電路的設計模擬集成電路的設計1.3.4 1.3.4 模擬集成電路的設計模擬集成電路的設計性能指

11、標行為級設計功能塊設計拓撲選擇物理版圖設計尺寸優(yōu)化行為級模擬宏模型模擬電路性能預估電路模擬版圖參數取及后模擬模擬IC版圖功能模塊電路模塊電路拓撲電路原理圖結構級設計 單元級設計版圖級設計電路級設計模擬集成電路的設計流程模擬集成電路的設計流程 EDA技術的一個重要應用是ASIC（Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路）。ASIC是面向專門用途的電路，以此區(qū)別于標準邏輯（Standard Logic）、通用存儲器、通用微處理器等電路。目前在集成電路界，ASIC被認為是用戶專用集成電路（Customer Specific IC）,即它是專門為一

12、個用戶設計和制造的。換言之，它是根據某一用戶的特定要求，能以低研制成本、短交貨周期供貨的全定制、半定制集成電路。1.4 EDA1.4 EDA技術與技術與ASICASIC設計設計vASICASIC的特點的特點 與通用集成電路相比，ASIC在構成電子系統(tǒng)時具有以下幾個方面的優(yōu)越性：（1）縮小體積、減輕重量、降低功耗;（2）提高可靠性;（3）易于獲得高性能;（4）可增強保密性;（5）在大批量應用時，可顯著降低系統(tǒng)成本。1.4.1 ASIC1.4.1 ASIC的特點與分類的特點與分類vASICASIC的分類的分類 ASIC按功能的不同可分為數字ASIC、模擬ASIC、數?；旌螦SIC和微波ASIC；

13、按使用材料的不同可分為硅ASIC和砷化鎵ASIC。 一般地說，數字、模擬ASIC主要采用硅材料，微波ASIC主要采用砷化鎵材料。砷化鎵具有高速、抗輻射能力強、寄生電容小和工作溫度范圍寬等優(yōu)點，目前已在移動通信、衛(wèi)星通信等方面得到廣泛應用。1.4.1 ASIC1.4.1 ASIC的特點與分類的特點與分類 ASIC的設計按照版圖結構及制造方法分，有全定制和半定制兩種實現方法。全定制法是一種手工設計版圖的設計方法，設計者需要使用全定制版圖設計工具來完成。半定制法是一種約束性設計方法，可再分為門陣列、標準單元和可編程邏輯器件法。1.4.2 ASIC1.4.2 ASIC的設計方法的設計方法ASICASI

14、C設計方法設計方法全定制法全定制法半定制法半定制法門陣列法門陣列法標準單元標準單元可編程邏輯器件法可編程邏輯器件法v全定制法全定制法 全定制法是一種基于晶體管級的設計方法，它主要針對要求得到最高速度、最低功耗和最省面積的芯片設計。為滿足這種要求，設計者必須使用版圖編輯工具從晶體管的版圖尺寸、位置及互連線開始親自設計，以期得到ASIC芯片的最優(yōu)性能。 1.4.2 ASIC1.4.2 ASIC的設計方法的設計方法v門陣列法門陣列法 門陣列是最早開發(fā)并得到廣泛應用的ASIC設計技術，它是在一個芯片上把門排列成陣列形式，嚴格地講是把含有若干個器件的單元排列成陣列形式。 1.4.2 ASIC1.4.2

15、ASIC的設計方法的設計方法v標準單元法標準單元法 標準單元設計是以精心設計好的標準單元庫為基礎。根據需要選擇庫中的標準單元構成電路，然后調用這些標準單元的版圖，并利用自動布局布線軟件完成電路到版圖的最終設計。1.4.2 ASIC1.4.2 ASIC的設計方法的設計方法v可編程邏輯器件法可編程邏輯器件法 可編程邏輯器件是ASIC的一個重要分支。與前面介紹的幾類ASIC不同，它是一種已完成了全部工藝制造、可直接從市場上購得的產品，用戶只要對它編程就可實現所需要的電路功能，所以稱它為可編程ASIC。 不同設計方法的綜合比較 。1.4.2 ASIC1.4.2 ASIC的設計方法的設計方法設計方法設計

16、效率功能/面積電路速度設計出錯率可測性可重新設計性全定制標準單元門陣列可編程邏輯器件注：注：最高（最大），高（大），最高（最大），高（大），中等，低（?。?，中等，低（?。畹停ㄗ钚。┳畹停ㄗ钚。?微電子技術的迅速發(fā)展，集成電路設計和工藝技術水平有了很大的提高，單片集成度已經超過上億個晶體管，從而使得將原先由許多IC芯片組成的電子系統(tǒng)集成在一個硅片上成為可能，構成所謂的片上系統(tǒng)（System On a Chip，SOC），或系統(tǒng)芯片。SOC將系統(tǒng)的主要功能綜合到一塊芯片中，本質上是在做一種復雜的IC設計。與普通的集成電路相比，SOC不再是一種功能單一的單元電路，而是將信號采集、信號處理、輸入和

17、輸出等完整的系統(tǒng)功能集成在一起，成為一個專用功能的電子系統(tǒng)芯片。1.4.3 SOC1.4.3 SOC設計設計 IP核：IP的原來含義是知識產權、著作權等。在IC設計領域可將其理解為實現某種功能的設計。 SOC單片系統(tǒng)：SOC是指將一個完整的系統(tǒng)集成在一個芯片上，用一個芯片實現一個功能完整的系統(tǒng)，如圖所示。1.4.3 SOC1.4.3 SOC設計設計CPU核RAM/ROM核USB接口核DSP核A/D、D/A核I/O單元核 基于IP模塊的SOC設計：嵌入式設計方法中大量采用知識產權IP模塊的復用，就是基于IP模塊的SOC設計方法。1.4.3 SOC1.4.3 SOC設計設計IP模塊設計模塊設計IP

18、模塊設計IP模型生成含時序的全功能指令集、體系結構總線功能時序模型測試模型平面物理模型IP模型層次模型層次電規(guī)則模型設計修正周期精度的全功能功能設計詳細時序設計物理設計系統(tǒng)芯片軟件設計IP模塊集成模塊集成 SOC的實現：微電子制造工藝的進步為SOC的實現提供了硬件基礎，微電子技術的近期發(fā)展成果又為SOC的實現提供了多種途徑，而EDA軟件技術的提高則為SOC的實現創(chuàng)造了必要的開發(fā)平臺。1.4.3 SOC1.4.3 SOC設計設計 硬件描述語言（HDL）就是可以描述硬件電路的功能、信號連接關系及定時（時序）關系的語言，也是一種用形式化方法來描述數字電路和設計數字系統(tǒng)的。硬件描述語言的發(fā)展至今已有二

19、十多年的歷史，它是EDA技術的重要組成部分，也是EDA技術發(fā)展到高級階段的一個重要標志。常用的硬件描述語言有ABEL、AHDL、VHDL、Verilog HDL、System-Verilog和System C等等。而VHDL和Verilog HDL是當前最流行的并已成為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，得到了眾多EDA公司的支持。 1.5 1.5 硬件描述語言硬件描述語言 VHDL VHDL VHDL主要用于描述數字系統(tǒng)的結構、行為、功能和接口。 Verilog HDLVerilog HDL Verilog HDL是在C語言的基礎上發(fā)展而來的硬件描述語言，具有簡潔、高效、易用的特點。不同層次的描

20、述方式比較：1.5 1.5 硬件描述語言硬件描述語言設計層次設計層次行為描述行為描述結構描述結構描述系統(tǒng)級系統(tǒng)算法系統(tǒng)邏輯框圖RTL級數據流圖、真值表、狀態(tài)機寄存器、ALU、ROM等分模塊描述門級布爾方程、真值表邏輯門、觸發(fā)器、鎖存器構成的邏輯圖版圖級幾何圖形圖形連接關系ABEL-HDLABEL-HDL ABEL-HDL是一種最基本的硬件描述語言，它支持各種行為的輸入方式，包括布爾方程、真值表、狀態(tài)機等邏輯表達方式。1.5 1.5 硬件描述語言硬件描述語言v1.6.1 EDA1.6.1 EDA設計工具分類設計工具分類 一個EDA系統(tǒng)至少應包括10到20個CAD工具?，F在EDA技術和系統(tǒng)設計工具正逐漸被理解成一個整體的概念電子系統(tǒng)設計自動化（ESDA）。在過去30多年中，人們開發(fā)了大量的計算機輔助設計工具來幫助集成電路的設計，如圖所示。1.6 EDA1