EDA技術(shù)的概念及范疇

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(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機(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。

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版圖的整個過程在計算機(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、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、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。

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，一般可用于幾個方面，例如很多軟件都可以進(jìn)行電路設(shè)計與仿真，同時以可以進(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(jìn)行簡單介紹。

1、電子電路設(shè)計與仿真工具

電子電路設(shè)計與仿真工具包括SPICE/PSPICE;EWB;Matlab;SystemView;MMICAD等。下面簡單介紹前三個軟件。

(1)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(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。

(2)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，但分析功能比PSPICE稍少一些。

(3) 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(jìn)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(xué)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)品族被廣泛地應(yīng)用于信號與圖像處理、控制系統(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(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對問題的認(rèn)識同時，提高自身的競爭力。

2、PCB設(shè)計軟件

PCB(Printed—Circuit Board)設(shè)計軟件種類很多，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)器體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如ORCAD、 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(qiáng)大、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。

3、IC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、Mentor Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設(shè)計領(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。下出按用途對IC設(shè)計軟件作一些介紹。

(1)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、 Verilog HDL是主要設(shè)計語言，許多設(shè)計輸入工具都支持HDL。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(jī)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，Modelsim FPGA等。

(2)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、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)。現(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。

(3)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。

(4)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(qiáng)的，它有很多產(chǎn)品，用于標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列已可實現(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。

(5)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(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，它的模型最多，仿真的精度也最高。

4、PLD設(shè)計工具

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)計軟件。下面介紹主要器件生產(chǎn)廠家和開發(fā)工具。

(1) 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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。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)計一次性固化，不可編程，批量生產(chǎn)時的成本較低。

(9)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的一項標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計語言。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)計劃，是ASIC設(shè)計和PLD設(shè)計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)計方面與VHDL語言平分秋色。

(3)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。

EDA的應(yīng)用

EDA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驗并從事簡單系統(tǒng)的設(shè)計。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)計與仿真;利用虛擬儀器進(jìn)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，包括前期的計算機(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，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)計工程師形成更有力的競爭，中國的設(shè)計隊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。要大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，積極開展計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算機(jī)輔助工程(CAE)、計算機(jī)輔助工藝(CAPP)、計算機(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、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、通信與計算機(jī)(M3C)結(jié)構(gòu)。在ASIC和PLD設(shè)計方面，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)計中心，推動系列設(shè)計活動以應(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)計工具，但不對外開放。中國華大集成電路設(shè)計中心，也提供IC設(shè)計軟件，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)計工具有各地開花并結(jié)果。據(jù)最新統(tǒng)計顯示，中國和印度正在成為電子設(shè)計自動化領(lǐng)域發(fā)展最快的兩個市場，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。