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EDA技术及相关软件


EDA 技术的概念 EDA 技术是在电子 CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统, 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、信息处理及智能化技术的最新成果,进行电子产品的自 动设计。 利用 EDA 工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以 通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的

整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对 EDA 的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、 生物、医学、军事等各个领域,都有 EDA 的应用。目前 EDA 技术已在各大公司、企事业 单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到 飞行模拟,都可能涉及到 EDA 技术。本文所指的 EDA 技术,主要针对电子电路设计、PCB 设计和 IC 设计。 EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。 2 EDA 常用软件 EDA 工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的 EDA 软件有:multiSIM7(原 EWB 的 最新版本) 、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、 LSIIogic、Cadence、MicroSim 等等。这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例 如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同进还可以进行 PCB 自动布局布线,可输出多种 网表文件与第三方软件接口。 (下面是关于 EDA 的软件介绍,有兴趣的话,旧看看吧^^^)

下面按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB 设计软件、IC 设计软件、 PLD 设计工具及其它 EDA 软件,进行简单介绍。 2.1 电子电路设计与仿真工具 我们大家可能都用过试验板或者其他的东西制作过一些电子制做来进行实践。但是有的时 候,我们会发现做出来的东西有很多的问题,事先并没有想到,这样一来就浪费了我们的很 多时间和物资。 而且增加了产品的开发周期和延续了产品的上市时间从而使产品失去市场竞 争优势。 有没有能够不动用电烙铁试验板就能知道结果的方法呢?结论是有, 这就是电路设 计与仿真技术。 说到电子电路设计与仿真工具这项技术, 就不能不提到美国, 不能不提到他们的飞机设计为 什么有很高的效率。 以前我国定型一个中型飞机的设计, 从草案到详细设计到风洞试验再到 最后出图到实际投产, 整个周期大概要 10 年。 而美国是 1 年。 为什么会有这样大的差距呢? 因为美国在设计时大部分采用的是虚拟仿真技术, 把多年积累的各项风洞实验参数都输入电

脑, 然后通过电脑编程编写出一个虚拟环境的软件, 并且使它能够自动套用相关公式和调用 长期积累后输入电脑的相关经验参数。 这样一来, 只要把飞机的外形计数据放入这个虚拟的 风洞软件中进行试验,哪里不合理有问题就改动那里,直至最佳效果,效率自然高了,最后 只要再在实际环境中测试几次找找不足就可以定型了,从他们的波音 747 到 F16 都是采用 的这种方法。空气动力学方面的数据由资深专家提供,软件开发商是 IBM,飞行器设计工 程师只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可。 同样, 他们其他的很多 东西都是采用了这样类似的方法,从大到小,从复杂到简单,甚至包括设计家具和作曲,只 是具体软件内容不同。其实,他们发明第一代计算机时就是这个目的(当初是为了高效率设 计大炮和相关炮弹以及其他计算量大的设计) 。 电子电路设计与仿真工具包括 SPICE/PSPICE;multiSIM7;Matlab;SystemView;MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark 等。下面简单介绍前三个软件。 ①SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) :是由美国加州大学推出的电 路分析仿真软件,是 20 世纪 80 年代世界上应用最广的电路设计软件,1998 年被定为美国 国 家 标 准 。 1984 年 , 美 国 MicroSim 公 司 推 出 了 基 于 SPICE 的 微 机 版 PSPICE (Personal-SPICE) 。现在用得较多的是 PSPICE6.2,可以说在同类产品中,它是功能最为强 大的模拟和数字电路混合仿真 EDA 软件,在国内普遍使用。最新推出了 PSPICE9.1 版本。 它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据 输出、 并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。 无论对哪种器件哪些电路进行仿真, 都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库。 ②multiSIM(EWB 的最新版本)软件:是 Interactive Image Technologies Ltd 在 20 世纪末推 出的电路仿真软件。其最新版本为 multiSIM7,目前普遍使用的是 multiSIM2001,相对于其 它 EDA 软件,它具有更加形象直观的人机交互界面,特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表 与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样, 但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊 色,几乎能够 100%地仿真出真实电路的结果,并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信 号发生器、瓦特表、双踪示波器(对于 multiSIM7 还具有四踪示波器) 、波特仪(相当实际 中的扫频仪) 、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网 络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件, 比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电路方 面有各种运算放大器、其他常用集成电路。数字电路方面有 74 系列集成电路、4000 系列集 成电路、等等还支持自制元器件。MultiSIM7 还具有 I-V 分析仪(相当于真实环境中的晶体 管特性图示仪)和 Agilent 信号发生器、Agilent 万用表、Agilent 示波器和动态逻辑平笔等。 同时它还能进行 VHDL 仿真和 Verilog HDL 仿真。 ③MATLAB 产品族:它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了 完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。 它具有数据采集、 报告生成和 MATLAB 语言编程产生独立 C/C++代码等功能。 MATLAB 产 品族具有下列功能:数据分析;数值和符号计算、工程与科学绘图;控制系统设计;数字图 像信号处理; 财务工程; 建模、 仿真、 原型开发; 应用开发; 图形用户界面设计等。 MATLAB 产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的 结构使 MATLAB 产品族很容易针对特定的需求进行扩充,从而在不断深化对问题的认识同 时,提高自身的竞争力。

2.2 PCB 设计软件 PCB(Printed-Circuit Board)设计软件种类很多,如 Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、 Cadence PSD 、 MentorGraphices 的 Expedition PCB 、 Zuken CadStart 、 Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard(与 LiveWire 配套的 PCB 制作软件包) 、ultiBOARD7(与 multiSIM2001 配套的 PCB 制作软件包)等等。 目前在我国用得最多当属 Protel,下面仅对此软件作一介绍。 Protel 是 PROTEL(现为 Altium)公司在 20 世纪 80 年代末推出的 CAD 工具,是 PCB 设计 者的首选软件。它较早在国内使用,普及率最高,在很多的大、中专院校的电路专业还专门 开设 Protel 课程,几乎所在的电路公司都要用到它。早期的 Protel 主要作为印刷板自动布线 工具使用,其最新版本为 Protel DXP,现在普遍使用的是 Protel99SE,它是个完整的全方位 电路设计系统,包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板 设计(包含印刷电路板自动布局布线) ,可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、 支持宏操作等功能,并具有 Client/Server(客户/服务体系结构) 同时还兼容一些其它设计 , 软件的文件格式,如 ORCAD、PSPICE、EXCEL 等。使用多层印制线路板的自动布线,可 实现高密度 PCB 的 100%布通率。 Protel 软件功能强大 (同时具有电路仿真功能和 PLD 开发 功能) 、界面友好、使用方便,但它最具代表性的是电路设计和 PCB 设计。 2.3 IC 设计软件 IC 设计工具很多,其中按市场所占份额排行为 Cadence、Mentor Graphics 和 Synopsys。这 三家都是 ASIC 设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中 国华大公司也提供 ASIC 设计软件(熊猫 2000) ;另外近来出名的 Avanti 公司,是原来在 Cadence 的几个华人工程师创立的, 他们的设计工具可以全面和 Cadence 公司的工具相抗衡, 非常适用于深亚微米的 IC 设计。下面按用途对 IC 设计软件作一些介绍。 ①设计输入工具 这是任何一种 EDA 软件必须具备的基本功能。像 Cadence 的 composer,viewlogic 的 viewdraw,硬件描述语言 VHDL、Verilog HDL 是主要设计语言,许多设计输入工具都支持 HDL(比如说 multiSIM 等) 。另外像 Active-HDL 和其它的设计输入方法,包括原理和状态 机输入方法,设计 FPGA/CPLD 的工具大都可作为 IC 设计的输入手段,如 Xilinx、Altera 等公司提供的开发工具 Modelsim FPGA 等。 ②设计仿真工作 我们使用 EDA 工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确,几乎每个公司的 EDA 产品 都有仿真工具。 Verilog-XL、 NC-verilog 用于 Verilog 仿真, Leapfrog 用于 VHDL 仿真, Analog Artist 用于模拟电路仿真。 Viewlogic 的仿真器有: viewsim 门级电路仿真器, speedwaveVHDL 仿真器, VCS-verilog 仿真器。 Mentor Graphics 有其子公司 Model Tech 出品的 VHDL 和 Verilog 双仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys 用的是 VSS(VHDL 仿真器) 。现在的趋势是各

大 EDA 公司都逐渐用 HDL 仿真器作为电路验证的工具。 ③综合工具 综合工具可以把 HDL 变成门级网表。这方面 Synopsys 工具占有较大的优势,它的 Design Compile 是作为一个综合的工业标准,它还有另外一个产品叫 Behavior Compiler,可以提供 更高级的综合。 另外最近美国又出了一个软件叫 Ambit,据说比 Synopsys 的软件更有效,可以综合 50 万门 的电路,速度更快。今年初 Ambit 被 Cadence 公司收购,为此 Cadence 放弃了它原来的综合 软件 Synergy。随着 FPGA 设计的规模越来越大,各 EDA 公司又开发了用于 FPGA 设计的 综合软件,比较有名的有:Synopsys 的 FPGA Express, Cadence 的 Synplity, Mentor 的 Leonardo,这三家的 FPGA 综合软件占了市场的绝大部分。 ④布局和布线 在 IC 设计的布局布线工具中,Cadence 软件是比较强的,它有很多产品,用于标准单元、 门阵列已可实现交互布线。最有名的是 Cadence spectra,它原来是用于 PCB 布线的,后来 Cadence 把它用来作 IC 的布线。其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble-标准单元布线器; Gate Ensemble-门阵列布线器;Design Planner-布局工具。其它各 EDA 软件开发公司也提供 各自的布局布线工具。 ⑤物理验证工具 物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面 Cadence 也是 很强的,其 Dracula、Virtuso、Vampire 等物理工具有很多的使用者。 ⑥模拟电路仿真器 前面讲的仿真器主要是针对数字电路的,对于模拟电路的仿真工具,普遍使用 SPICE,这是 唯一的选择。 只不过是选择不同公司的 SPICE, MiceoSim 的 PSPICE、 像 Meta Soft 的 HSPICE 等等。HSPICE 现在被 Avanti 公司收购了。在众多的 SPICE 中,HSPICE 作为 IC 设计,其 模型多,仿真的精度也高。 2.4 PLD 设计工具 PLD(Programmable Logic Device)是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成 电路。 目前主要有两大类型: CPLD (Complex PLD) FPGA(Field Programmable Gate Array)。 和 它们的基本设计方法是借助于 EDA 软件,用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言 等方法,生成相应的目标文件,最后用编程器或下载电缆,由目标器件实现。生产 PLD 的 厂家很多,但最有代表性的 PLD 厂家为 Altera、Xilinx 和 Lattice 公司。 PLD 的开发工具一般由器件生产厂家提供,但随着器件规模的不断增加,软件的复杂性也 随之提高,目前由专门的软件公司与器件生产厂家使用,推出功能强大的设计软件。下面介

绍主要器件生产厂家和开发工具。 ①ALTERA:20 世纪 90 年代以后发展很快。主要产品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、 APEX20K、ACEX1K、Stratix 等。其开发工具-MAX+PLUS II 是较成功的 PLD 开发平台, 最新又推出了 Quartus II 开发软件。Altera 公司提供较多形式的设计输入手段,绑定第三方 VHDL 综合工具,如:综合软件 FPGA Express、Leonard Spectrum,仿真软件 ModelSim。 ②ILINX:FPGA 的发明者。产品种类较全,主要有:XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、 Spartan、 Vertex 等系列, 其最大的 Vertex-II Pro 器件已达到 800 万门。 开发软件为 Foundation 和 ISE。通常来说,在欧洲用 Xilinx 的人多,在日本和亚太地区用 ALTERA 的人多,在美 国则是平分秋色。 全球 PLD/FPGA 产品 60%以上是由 Altera 和 Xilinx 提供的。 可以讲 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方向。 ③Lattice-Vantis:Lattice 是 ISP(In-System Programmability)技术的发明者。ISP 技术极大 地促进了 PLD 产品的发展,与 ALTERA 和 XILINX 相比,其开发工具比 Altera 和 Xilinx 略 逊一筹。中小规模 PLD 比较有特色,大规模 PLD 的竞争力还不够强(Lattice 没有基于查找 表技术的大规模 FPGA) ,1999 年推出可编程模拟器件,1999 年收购 Vantis(原 AMD 子公 司) ,成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001 年 12 月收购 Agere 公司(原 Lucent 微电子 部)的 FPGA 部门。主要产品有 ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。 ④ACTEL:反熔丝(一次性烧写)PLD 的领导者。由于反熔丝 PLD 抗辐射、耐高低温、功 耗低、速度快,所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA 和 XILINX 则一般不涉足军品 和宇航级市场。 ⑤Quicklogic:专业 PLD/FPGA 公司,以一次性反熔丝工艺为主,在中国地区销售量不大。 ⑥Lucent:主要特点是有不少用于通讯领域的专用 IP 核,但 PLD/FPGA 不是 Lucent 的主要 业务,在中国地区使用的人很少。 ⑦ATMEL:中小规模 PLD 做得不错。ATMEL 也做了一些与 Altera 和 Xilinx 兼容的片子, 但在品质上与原厂家还是有一些差距,在高可靠性产品中使用较少,多用在低端产品上。 ⑧Clear Logic: 生产与一些著名 PLD/FPGA 大公司兼容的芯片, 这种芯片可将用户的设计一 次性固化,不可编程,批量生产时的成本较低。 ⑨WSI: 生产 PSD (单片机可编程外围芯片) 产品。 这是一种特殊的 PLD, 如最新的 PSD8xx、 PSD9xx 集成了 PLD、EPROM、Flash,并支持 ISP(在线编程) ,集成度高,主要用于配合 单片机工作。 顺便提一下:PLD(可编程逻辑器件)是一种可以完全替代 74 系列及 GAL、PLA 的新型电 路,只要有数字电路基础,会使用计算机,就可以进行 PLD 的开发。PLD 的在线编程能力 和强大的开发软件,使工程师可以几天,甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作, 并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD 技术在发达国家已成为电子工程师必 备的技术。

2.5 其它 EDA 软件 ①VHDL 语言:超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware Deseription Languagt,简 称 VHDL) ,是 IEEE 的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路(Very High Speed Integrated Circuit,简称 VHSIC)计划,是 ASIC 设计和 PLD 设计的一种主要输 入工具。 ②Veriolg HDL:是 Verilog 公司推出的硬件描述语言,在 ASIC 设计方面与 VHDL 语言平分 秋色。 ③其它 EDA 软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB 制作和工艺流程控制等领 域的工具,在此就不作介绍了。 3 EDA 的应用 EDA 在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面,几乎所 有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了 EDA 课程。主要是让学生了解 EDA 的基 本概念和基本原理、掌握用 HDL 语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用 EDA 工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具(如 multiSIM、PSPICE)和 PLD 开发工具(如 Altera/Xilinx 的器件结构及开发系统) ,为今后工 作打下基础。 科研方面主要利用电路仿真工具(multiSIM 或 PSPICE)进行电路设计与仿真;利用虚拟仪 器进行产品测试;将 CPLD/FPGA 器件实际应用到仪器设备中;从事 PCB 设计和 ASIC 设 计等。 在产品设计与制造方面,包括计算机仿真,产品开发中的 EDA 工具应用、系统级模拟及测 试环境的仿真,生产流水线的 EDA 技术应用、产品测试等各个环节。如 PCB 的制作、电子 设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC 的制作过程等。 从应用领域来看,EDA 技术已经渗透到各行各业,如上文所说,包括在机械、电子、通信、 航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有 EDA 应用。另外,EDA 软 件的功能日益强大,原来功能比较单一的软件,现在增加了很多新用途。如 AutoCAD 软件 可用于机械及建筑设计,也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等 领域。 4 EDA 技术的发展趋势 从目前的 EDA 技术来看,其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件 功能强大。 中国 EDA 市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是 PCB 制板和小型 ASIC 领域, 仅有小部分(约 11%)的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程

师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的 EDA 技术。 在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及 软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技 术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息 化,积极开展计算机辅助设计(CAD) 、计算机辅助工程(CAE) 、计算机辅助工艺(CAPP) 、 计算机机辅助制造(CAM) 、产品数据管理(PDM) 、制造资源计划(MRPII)及企业资源 管理(ERP)等。有条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和 国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控 制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结 构。在 ASIC 和 PLD 设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。 外设技术与 EDA 工程相结合的市场前景看好,如组合超大屏幕的相关连接,多屏幕技术也 有所发展。 中国自 1995 年以来加速开发半导体产业,先后建立了几所设计中心,推动系列设计活动以 应对亚太地区其它 EDA 市场的竞争。 在 EDA 软件开发方面,目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。日本、 韩国都有 ASIC 设计工具,但不对外开放。中国华大集成电路设计中心,也提供 IC 设计软 件,但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。据最 新统计显示, 中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场, 年夏合增长率 分别达到了 50%和 30%。 EDA 技术发展迅猛,完全可以用日新月异来描述。EDA 技术的应用广泛,现在已涉及到各 行各业。EDA 水平不断提高,设计工具趋于完美的地步。EDA 市场日趋成熟,但我国的研 发水平仍很有限,尚需迎头赶上。


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