電子設計自動化的發展研究

錢 剛

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

電子設計自動化的發展研究

錢 剛

（南京華蘇科技有限公司，江蘇 南京 210012）

文章介紹了電子設計自動化的概念，論述了EDA的技術特點、硬件描述語言及VHDL的優點，EDA技術在教學、科研、產品設計等方面的應用，并集合EDA技術的更新過程總結出EDA發展至今的歷史過程，研究EDA技術發展的新方向以及從不同的角度展望了EDA技術的發展前景。

EDA；數字系統；VHDL

EDA技術就是以計算機為工具，通過有關的開發軟件，用VHDL硬件描述語言完成設計，自動完成編譯、分割、布局和仿真等工作，用軟件完成設計電子系統到硬件系統的一門技術。

1 電子設計自動化技術的內容及特點

1.1 電子設計自動化技術

電子設計自動化（Electronics Design Automation，EDA）是一門實現電子系統或電子產品自動設計的技術。EDA吸收了計算機科學領域的最新研究成果，以高性能的電子計算機作為工作的平臺，促進電子工程的發展。所以說，EDA是電子產品和系統設計的綜合技術，也是每個電子工程師都應該了解和掌握的一門技術。

EDA是在20世紀60年代中期從計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）的概念發展而來的，用硬件描述語言VHDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。

1.2 EDA技術的基本特征

EDA技術是指以計算機為工作平臺，利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，大量工作可以通過計算機自動處理完成。

EDA技術的基本特征：按照“自頂向下”（Top-Down）全新設計方法，對系統進行結構設計和功能劃分，系統的關鍵電路是用印刷電路板或者專用集成電路來實現的，然后采用硬件描述語言（HDL）對系統硬件進行功能的實現，最后用綜合優化工具生成最終的理想器件。以下介紹相關的幾個方面。

1.2.1 “自頂向下”的設計方法

很長一段時間里，電子設計的思路基本就是“自底向上”的設計方法，這種設計方法就好像一塊塊大石頭堆建起來的瓦房，不僅效率低、成本高，而且還非常容易出錯，缺點顯而易見。

于是，人們發明了如今所用的一種全新的設計方法“自頂向下”，這種設計方法首先是系統設計，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構的設計。自頂向下的設計方法使系統被分解為各個模塊的集合之后，可以對設計的每個獨立模塊指派不同的工作小組，這些小組可以工作在不同的地點，甚至可以分屬不同的單位，最后將不同的模塊集成為最終的系統模型，并對其進行綜合測試和評價。它較先前的“自頂向上”無論是在設計的時間上，還是過程中錯誤的減少，都得到了很大的提升。

1.2.2 ASIC設計

集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），在集成電路界被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。利用EDA技術進行電子系統設計的最后目標是完成專用集成電路ASIC的設計與實現。

ASIC分為全定制和半定制，全制定是基于晶體管設計方法，設計成本高，周期長；而半定制則是一種約束性的設計方法，其設計簡化，周期短，提高了芯片的成品率；和通用的集成電路相比，ASIC的體積更小、功耗更低、性能的提升也相當高；從保密性來講，其保密性還是相當高的，而且它還具有成本節約等優點。

可編程ASIC是專用集成電路的一種，也是應用最為廣泛的?？删幊踢壿嬈骷拿芏雀?、集成度高、生產方便。

1.2.3 硬件描述語言

硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）是一種用形式化的方法來描述數字電路和系統的語言，它是EDA開發中的很重要的設計工具，也是EDA技術的重要組成部分。

HDL是對電子系統硬件設計的一種高級計算機語言，用HDL語言，數字電路系統的設計可以逐層展示自己的設計思路，一些復雜的數字電路系統可以用一系列分層次的模塊來表達。早期的硬件描述語言，由不同的廠商和開發商開發，彼此之間互不兼容，且不支持多層次的設計，這些層次之間的翻譯工作就要由人工完成。而利用VHDL語言的可讀性強，更加容易修改和發現錯誤。

VHDL即超高速集成電路硬件描述語言，它作為IEEE標準的硬件描述語言和EDA的重要組成部分，經過十幾年的發展、應用和完善，正逐漸被眾多設計者所接受，這種高層次的方法已經被廣泛采用。

VHDL即超高速集成電路硬件描述語言，是一種面向設計的多領域、多層次的全方位的硬件描述語言，這種語言幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能。VHDL具有以下幾個優點：（1）強大的硬件描述能力。可以用來描述系統級電路，也可以用來描述門級電路，設計描述具有多層次。（2）支持廣泛、易于修改。VHDL已經成為IEEE標準，目前，多數EDA工具都支持VHDL語言，這種高層次的方法已經被廣泛采用。（3）作用強大、設計靈活。它具有作用強大的語言結構，能用簡潔明了的源代碼來描述復雜的邏輯控制。（4）移植能力強。

它是一種標準化的硬件描述預言，同樣一個設計描述可是被多種不同的工具所支持，這樣就使得設計描述的移植得以實現。（5）工藝轉換方便。它的設計不依賴于特定的器件，工藝轉換方便。

2 EDA技術的應用

現如今，EDA技術發展迅速，已經在教學應用、科研應用、產品設計與制造等方面占據一席之地，發揮著巨大的作用。

2.1 教學應用

大部分理工科院系都開設EDA課程。讓學生在校期間了解EDA技術的基本原理、HDL硬件描述語言描述系統邏輯的方法，模擬仿真電子電路設計，通過實踐提升學生的動手與自主能力，為今后從事的工作打下堅實的基礎。

2.2 科研應用

電路設計與模擬仿真主要使用EWB等工具進行，舉個例子，在CDMA無線通信系統中，移動手機和無線基站都工作在相同的頻率，每部手機都有自己唯一的序列碼，用來區分電話的呼叫。而CDMA的BTS必須能識別這些不同的碼序列才能辨別傳呼進程，這是通過在輸入數據流中探測到特定的碼序列來完成的。

2.3 產品設計與制造的應用

從電視、冰箱、音響到電子玩具等各種電子產品電路，EDA技術在模擬研制、仿真、生產、調試等方面都有著重要的作用?？梢哉f，EDA已經成為電子工業領域必不可少的技術支持。

3 EDA技術的發展前景

當今社會，電子產品發展日新月異，為了既快又好地設計出新的電子產品，提高設計效率和產品性能，設計師需要更加簡便快捷的EDA工具，這對EDA技術提出了更高的要求。

3.1 EDA技術發展的新方向

3.1.1 向高密度、高速度、寬頻帶方向發展

設計方法的更新得益于電子器件的發展，隨著電子產品的飛速發展，高密度、高速度和寬頻帶的可編程邏輯產品已經成為主流的，這些高密度、大容量的可編程邏輯器件的出現，給現代電子系統（復雜系統）的設計與實現帶來了非常大的幫助。設計方法和設計效率有了新的飛躍，帶來了器件的巨大需求，這種需求又促使器件生產工藝的不斷進步，而每一次工藝的改進，可編程邏輯器件的規模都將有非常大擴展。

3.1.2 向可預測延時的方向發展

現如今的大數據時代，需要處理的數據量越來越大，就需要其具有大的數據吞吐量，而且多媒體技術發展迅速，圖像及影像的實時性要求較高，這就需要有高速的硬件系統。為了可以保證圖像實時性及穩定性，器件的延時可預測性就是一個重要的因素。所以，邏輯器件的可預測延時是非常重要的。

3.1.3 向低電壓、低能耗方向發展

集成技術的飛速發展，工藝水平的日益提升，全世界都掀起了節能的潮流。因此，要適應時代的潮流，半導體工業也必須向低電壓、降低能耗方向發展。

3.2 應用前景

在信息通信領域中，需要優先發展高速寬帶信息網、計算機及軟件技術、第三代移動通信技術，積極開拓以數字技術、網絡技術為基礎的新一代信息產品，研發新興的產業。自動化儀表的技術發展趨勢將計算機技術、通信技術進一步的融合，大力地推廣信息化。

在電子設計的研發中，它可以代替設計者完成電子系統設計中的絕大部分工作，而且可以直接在程序中修改錯誤，系統功能也不需要硬件電路的支持。隨著EDA技術的發展，EDA技術具有更好的開發手段和性價比，具有廣泛的市場應用前景。

3.3 未來展望

從目前的EDA技術來看，其發展趨勢是使用普及、應用廣泛、工具多樣、軟件功能強大。中國EDA市場已經日趨成熟，但是大部分的設計是面向PCB制板和ASIC領域，只有小部分的設計是開發復雜的片上系統器件。

EDA技術將在自動化儀表的測試技術、控制技術、計算技術等方面有較大的突破，在ASIC和PLD設計方面，以高速、高密度、低能耗、低電壓等方面發展。

4 結語

EDA技術的應用十分廣泛，現在已涉及電子、通信、機械、航天、醫學、生物、軍事等各個領域。所以無論是生活、學習、還是工作，都離不開EDA。因此，作為一名大專院校電子類專業的學生，我們應該熟練掌握EDA技術用于CPLD/ FP GA 的開發和知曉EDA技術在未來發展的前景，只有這樣才能去適應激烈競爭的環境，在激烈的競爭環境中取得成績。

[1]杜玉遠. EDA設計快速入門[J].電子世界，2004（1）：24-25.

[2]擦光輝. CPLD/TPGA的開發與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

Rsearch on the development of electronic design automation

Qian Gang
（Nanjing Howso Technology Co., Ltd., Nanjing 210012, China）

This paper introduces the concept of electronic design automation, discusses the technical characteristics of the EDA, hardware description language, advantages of VHDL and application of EDA technology in teaching, research and product design, and a collection of EDA technology update process since summed EDA development historical process, the new direction of research EDA technology development is studied and as well as the future development prospects of EDA technology is prospected from different angles.

EDA; digital system; VHDL

錢剛（1986— ），男，江蘇淮安。