《EDA技术》期末论文

EDA技术简介及认识张锐（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京211106）摘要：随着电子电路技术的进一步发展，电子电路设计自动化在工程方面的应用越来越广泛，EDA技术已经渗透到各行各业，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。本文主要阐述了电子设计自动化技术的基本知识和发展历史，着眼于EDA技术的重要意义，并介绍了有关印制电路板（PCB板）的基本概念和发展。阐述了初学者在学习EDA技术基础理论之后的部分见解和认识。关键词：EDA技术印制电路板（PCB板）计算机软件一、EDA技术简介EDA（ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化技术，是一种以计算机为基础的工作平台；是利用电子技术、计算机技术、智能化技术等多种应用学科的最新成果，开发成的一整套电子CAD（计算机辅助设计）软件；是一种帮助电子设计工程师从事电子元件产品和系统设计的综合技术。它是在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想，设计师们摆脱了大量的辅助设计工作，而集中精力于创造性的方案与概念构想上，而极大提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、PSPICE、multisim、OrCAD、Matlab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，同时还可以进行PCB自动布局布线，可电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE；multiSIM7；Matlab输出多种网表文件与第三方软件接口。IC设计工具中，最主要的为Cadence。在实际应用方面，EDA技术已经渗透到各行各业，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。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。二、EDA技术的发展历史在电子设计自动化出现之前，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作，这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘（photoplotter）的胶带。随着中小规模集成电路的开发应用，传统手工制图设计即印制电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，以便摆脱复杂、机械的版图设计工作，这就产生了第一代EDA工具。主要有印制电路板（PCB）布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，这种应用计算机进行辅助设计的时期，就是计算机辅助设计CAD阶段。到了1970年代中期，开发人员尝试将整个设计过程自动化，而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。设计自动化会议（DesignAutomationConference）在这一时期被创立，旨在促进电子设计自动化的发展。20世纪80年代，为了适应电子产品在规模和制作上的需求，以计算机仿真和自动布线为核心技术的第二代EDA技术应运而生，其特点是以软件工具为核心，通过这些软件完成产品开发的设计、分析、生产和测试等各项工作。逐步实现了可以把不同设计功能的软件相互结合，形成了技术齐全、性能较高的系列EDA技术，进入了计算机辅助工程设计的初级阶段。此时推出的EDA软件大都以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。从1981年开始，电子设计自动化逐渐开始商业化。Gateway设计自动化在1986年推出了一种硬件描述语言Verilog，这种语言在现在是最流行的高级抽象设计语言。1987年，在美国国防部的资助下，另一种硬件描述语言VHDL被创造出来。现代的电子设计自动化工具可以识别、读取不同类型的硬件描述。根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出，使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。后来，技术的发展更侧重于逻辑综合。20世纪90年代后，EDA技术继续发展，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。微电子技术的飞速发展使得单芯片系统集成（SystemonChip）SoC得到了快速发展。这一阶段可编程逻辑器件飞速发展，微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过它较快地设计出各种功能的电子系统。三、我对EDA技术的认识在对EDA技术基础知识进行数周的学习之后，我对电子设计自动化又有了进一步的认识。在之前学习电子电路时，我就对纷繁复杂的排线布局很是反感，就在考虑是否有现成的计算机工具，就像绘图工具那样帮助我们进行电子线路的自动布局和排列，从而减轻人的劳动强度，提高工作效率。在经过一段时间的学习后，我掌握了有关EDA技术及其应用软件的基本知识，尤其是在软件操作方面得到了很大的提升。在几次上机实验中，我们一一接触了PSPICE、multisim、OrCAD等软件，虽然在较深的领域方面没有过多的学习，但是在按要求完成老师精心准备的实验步骤后，都能得到预期的实验结果，充分体现了该软件的功能和特性。PSPICE是由SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。在电路系统仿真方面，PSPICE独具特色，它是一个多功能的电路模拟试验平台，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力，而且操作较为简单，界面清晰简洁，功能强大，易学易用。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。OrCAD相比较其他软件却极其复杂，因为它拥有很多强大的功能，因此在界面上很复杂，而且没有汉化版本，对于初学者来说很是不友好。它是一套在个人电脑的电子设计自动化套装软件，专门用来让电子工程师设计电路图及相关图表，设计印刷电路板所用的印刷图，及电路的模拟之用。OrCAD具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率；提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。这些软件的应用对于降低电子设计工程师的劳动强度，提前完成错误检测和功能试验方面有着重要意义。在实际的电路设计中，设计师们完全可以在较短的时间里完成整套的电路设计，并且可以保证电路的正确性。在高校电子类专业的实践教学中安排电子电路设计自动化课程及实验项目，可以让学生了解EDA的基本原理和基本概念，掌握描述系统逻辑的方法，进行电子电路课程的模拟仿真实验，可大大提高学生的实践动手能力、创新能力和计算机应用能力。除了EDA技术及软件外，我还学习到了一些关于印制电路板的基础知识，了解了印制电路板的种类和发展过程以及一些重要的基本概念。印制电路板（PCB线路板），又称印刷电路板，是电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了；它的设计主要是版图设计；采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。根据印制板的制造方法可分为减去法（减成法）和添加法（加成法）两个大类，目前，大规模工业生产还是以减去法中的腐蚀铜箔法为主；根据板的零件分布和布线有单面板、双面板之分；根据板的层数多少有单层板和多层板之分，现在最高的板层数已经可以达到上百层之多。多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。多层板使得电路的密集程度更高，将更多的布线和零件集中在更小的区域内，电路的复杂程度也更高。采用印制板的主要优点是：由于图形具有重复性和一致性，减少了布线和装配的差错，节省了设备的维修、调试和检查时间；设计上可以标准化，利于互换；布线密度高，体积小，重量轻，利于电子设备的小型化；利于机械化、自动化生产，提高了劳动生产率并降低了电子设备的造价；特别是FPC软性板的耐弯折性，精密性，更好的应用到高精密仪器上。21世纪将是EDA技术的高速发展阶段。随着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA技术作为电子产品开发研制的源动力，已成为现代电子设计的核心。虽然我国的EDA技术也在突飞猛进地发展，在很多领域取得了举世瞩目的成就，但是就应用水平和制造技术来看仍然落后于发达国家，尤其是在制造方面，国内许多制造及软件对国外的资源仍然有着很大的需求。所以在高等教育方面，我们还需加紧对EDA技术及应用的教学，尤其是在工程实际方面进行进一步探索，在学校给未来的电子设计工程师打好基础，以有助于他们将来的工作。[参考文献][1]汉泽西等.EDA技术及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.[2]黄仁欣.EDA技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2011.[3]部分材料来源于网络.作者简介及联系方式：张锐，学号061300312，南京航空航天大学材料科学与技术学2013级学生15895829993（手机）[e-mail]（邮箱）