电子设计自动化

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电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)

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什么是电子设计自动化

  电子设计自动化是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包。利用EDA工具,电子工程师可以将电子产品由电路设计、性能分析到IC设计图或PCB设计图整个过程在计算机上自动处理完成。

电子设计自动化的发展历程[1]

  回顾近30年电子设计技术的发展历程,可将EDA技术分为3个阶段。

  1)20世纪70年代为CAD阶段,这阶段人们开始用计算机辅助进行IC图编辑和PCB布局布线,取代了手工操作,产生了计算机辅助设计的概念。

  2)20世纪80年代为CAE阶段,与CAD相比,除了纯粹的图形绘制功能外,又增加了电路功能设计和结构设计,并通过电气连接网络表将两者结合在一起,以实现工程设计,这就是计算机辅助工程的概念。CAE的主要功能是:原理图输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线,以及PCB后分析。

  3)20世纪90年代为ESDA阶段。尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功,但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。整个设计过程自动化和智能化程度还不高,各种EDA软件界面千差万别,学习使用困难,且互不兼容,直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足,人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化,这就是电子系统设计自动化(Electric System Design Automation,ESDA)。

现代EDA的学术研究和技术开发[2]

  当前EDA的研究和开发主要集中在以下两个方面。

  1.电子系统与电路的综合和仿真

  为了实现更高水平的没计自动化,当给定设计的目标以后,希望能够做到结构设计逻辑设计电路设计物理设计(版图设计)一测试设计等的完全自动综合。这样必须解决以下几方面的问题。

  (1)需要提供在行为级、寄存器传输级和基本逻辑门级上采用~个统一的不同层次的硬件描述语言,这样才能实现在不同层次上的数据转换传输和仿真验证,完成自上而下的同步设计。现已逐步统一,形成了标准的硬件描述语言VHDL作为不同层次的硬件描述。

  (2)实现各种层次上的仿真。首先充分重视高层次的系统仿真,VHDL仿真器使设计者可以快速地提取概念,验证外部指标,在特定工艺或门级上实现之前就发现设

  计中的问题。其次,力求把功能级、寄存器级和门级仿真结合起来,形成一个不同层次同时进行的混合仿真分析过程,这样才能充分利用已有的知识和成熟的各种功能块和单元完成大系统的验证。这种混合仿真也有利于实现不同层次的综合,进而形成整个系统的自动综合。

  (3)研究逻辑分割和逻辑优化。一旦确定了整个逻辑系统的组成后,如何将它合理地分成子系统,并且用最佳的逻辑组成实现,这直接关系到设计的质量和成败。根据设计要求,可以将元件数目最少或延时最小等作为追求的目标进行门级电路和版图的自动生成。

  (4)测试码自动生成。系统的可测性研究是VI。SI和ASIC发展的瓶颈,因而在第三代的自动化设计系统中将可测性融于设计过程之中,设计完成的同时测试码亦生成。综合生成的电路必须是完全可测的电路,同时能够自动地生成100%覆盖率的测试矢量。而且这一测试矢量是经过优化技术压缩的最佳测试矢量。

  总之,数字系统的综合是当前研究的热点,并且逐步走向实用化。而模拟电路的综合比数字电路要困难很多。首先为了电路综合,需要在功能级和元件级对系统进行描述,模拟电路的硬件语言描述是非常困难的,这是因为模拟电路的基本单元不易确定,而且这些单元都是带有参数的,其参数又非常多,使得描述很复杂。尽管有些学者提出了一些描述语言方式,但由于太繁杂而得不到推广应用。其次模拟电路的结构变化多样,规律性不强,这就给综合带来了更大的困难。第三,模拟电路的行为状态是连续的,其作用为多元非线性高阶微分方程,无论时域还是频域求解都是相当复杂的。因此,现在已经达到实用的模拟电路的综合,只限于结构简单的滤波器,实现大系统的模拟电路综合是20世纪90年代的迫切任务。

  2.高速度、高密度、亚微米工艺的仿真和设计技术

  由于实时信号处理等的要求,对集成电路的工作速度要求迅速提高,脉冲信号已缩短到ps量级,对应的频谱已进入微波波段,这时不仅应当考虑IC中连线的寄生参量,而且要考虑各线间的耦合作用,甚至元件间的连线已呈多导体传输线特性。因而为了能更精确地仿真高速工作时IC中的布线影响,不少学者研究非均匀有损传输线的频域和时域特性。

  另外,由于IC工艺水平的提高,有源器件的几何尺寸越来越小,这样,有源器件的数学模型已不再适用。例如,MOS电路,必须考虑短沟道效应。所以必须重新研究新的教学模型来提高仿真的精度。

  由于IC的元器件尺寸减小,虽然工艺的精度有很大提高,但是元器件参量的相对误差却上升了很多,而且这一相对误差带有随机性,如果设计不好,工艺中产生的相对随机误差会造成成品率的严重下降。因而在IC设计时,需要考虑这一随机性的相对误差,以合格率最高作为目标,优化选用最佳的电路参数及工艺参数,这就是常称的中心值优化设计

参考文献

  1. 刘纯武,张羿猛,黄芝平.嵌入式系统设计与应用.国防科技大学出版社,2011.12.
  2. 刘润生著.刘润生文集 上.科学出版社,2011.10.
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