EDA技术

本科毕业设计(论文)FINALPROJECT/THESISOFUNDERGRADUATE(2016届)上海理工大学本科毕业设计(论文)低频数字相位测量仪MeasuringInstrumentofLowFrequencyDigitalPhase学院××××××××××专业××××××××学生姓名×××学号指导教师×××××完成日期2016年05月I1.1EDA技术简介1.1.1EDA技术二十世纪末期，获得飞速发展的电子技术推动了现代电子产品的进步，它几乎渗透到所有社会生活的方方面面，同时有力推动和提高了社会信息化程度和社会生产力的发展，进一步提高和完善了现代电子产品各个方面的性能，使得电子产品出现了越来越快的更新节奏。在所有现代电子技术中EDA技术是其核心内容，EDA技术有赖于计算机功能的强大，通过EDA软件平台完成文件设计，其中主要的手段是系统逻辑以硬件描述语言HDL进行描述，并能够自动完成各种功能，如逻辑编译、逻辑综合、逻辑化简、结构综合、逻辑分割、逻辑优化以及仿真测试，一直发展到完成电子线路系统既定的所有功能。设计者的工作在EDA技术的帮助下仅限于利用软件来实现系统硬件功能，也就是说利用EDA软件和硬件描述语言来完成实现其中的功能。在对现代电子产品进行设计与生产的过程中，现代电子设计技术与微电子技术是相互推动、相互促进发展且制约的。微电子技术代表着在广度与深度上的物理层硬件电路的实现及其发展，现代电子设计技术体现了现代理论与技术的有机融合及升华，如先进的电子技术与理论、电子仿真技术、设计技术与工艺以及计算机软件技术等。由此可见，更为严格的角度来说，EDA技术是上市两种技术的结合，更是它们共同发展的结果。现在的EDA技术经过多年的发展早就不是某学科分支或者技术了，应该说EDA技术更多的是综合性的一门学科。EDA技术融入多种学科还在各个学科之间进行渗透，由此还打破软硬件之间的限制，这就让计算机软硬件技术得以性能的提升，实现了设计效率跟产品性能的整合。因此，EDA技术代表着电子设计及其应用技术未来的发展趋势。EDA技术应用在电子产品自动设计中，其工作平台是计算机，通过EDA技术融入多种技术的最新成果于一身，这些技术主要有计算机技术、应用电子技术、智能化技术和信息处理技术等。采用EDA技术，电子设计师能够设计电子系统只要从概念、算法以及协议等着手了，这样大量的设计工作交由计算机来实现，还能够把电子产品的整个生产过程全部通过计算机自动实现，通常的电路设计、电路性能分析以及PCB版图或者IC版图等无所不能。在EDA技术的定义及其应用方面，现在的应用领域是众多的，如电子、机械、医学、通信、化工、航空航天、矿产、军事、生物等等。如今EDA技术已经广泛使用在企事业单位、各上海理工大学本科毕业设计(论文)2大公司以及科研教学部门等。还有在飞机制造过程中，EDA技术涉及到飞机的设计、性能测试以及特性分析一直到飞行的模拟等工作过程。在本文中EDA技术主要是面向电子电路的设计、PCB的设计以及IC设计方面的。EDA设计可以分成三个级别的，分别是系统级、电路级以及物理实现级。1.1.2EDA技术发展趋势随着中国EDA市场的日渐成熟，政府对其逐渐重视，并普遍使用，而且它的应用范围越来越广泛，越来越多样化，软件功能越来越强大。因此EDA技术的发展趋势越来越明朗，越来越具有前景。但根据统计，开发复杂的系统芯片设备的只有极少一部分设计工程人员。而绝大多数的设计工程师只接触到了PCB制板和小型ASIC两个方向。因此引进和学习一些最新的EDA技术对中国的设计团队来说是非常有必要的。只有这样我们与台湾和美国的设计工程师相对比才能更具竞争力计算机和软件技术、新元件、深亚微米集成电路、信息管理、高速宽带信息网、信息安全技术，第三代移动通信技术、网络技术为基础的新一代信息产品在信息通讯领域必须要进行优先发展。同时要坚持培育新产业，培育新的经济增长点，这是信息和通信领域的新任务。不仅如此，还要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助工程、计算机辅助制造、企业资源管理和产品数据管理和制造资源计划。如果相关企业具有研发条件，还可以进行“网络制造”，这样可以促进合作设计与制造，提高国内和国际的核心竞争力。同时实施“数控”工程和“数字”工程。自动化仪表检测技术的发展趋势的控制技术、测试技术、和计算机通信技术的进一步融合，形成测量，控制，通信和计算机结构。未来超高速、低功耗、高密度、低电压是ASIC和PLD技术的发展方向.随着大屏幕组合的相关连接以及多屏技术的发展越来越普及，当前，EDA工程与外设技术相结合的市场前景被广泛看好。自1995以来，我国加快了半导体行业的发展。现已设立了多个设计中心，推出一系列针对亚太地区其它EDA市场竞争设计活动。虽然在EDA软件开发方面，美国具有一定的领先地位。但其他国家也正在努力开发合适的工具。日本和韩国都有不对外开放的ASIC设计工具。中国华大集成电路设计中心提供的IC设计软件目前性能不很强，与美、日、韩还有一定差距。我相信在不久的将来，全世界将普各地将遍出现更多更好的设计工具。目前，电子设计自动化领域发展最快的两个国家市场正时中国和印3度，在这两地市场的复合年增长率达到50%和30%。设计水平的每一次飞跃，都源自于EDA技术的进步，从设计层面分，在上世纪70年代的物理设计，上世纪80年代为电路级设计和90年代进入系统级设计。物理层设计主要是IC版图设计，大多通过半导体厂商完成。（1）电路级设计确定设计方案，选择合适的组件来实现方案，根据具体原件设计电路原理图，这是电子工程师接受系统设计任务后的工作步骤。之后工程师还要进行第一次仿真，仿真包括数字电路的逻辑仿真、故障分析、模拟电路的交流和直流分析、暂态分析。组件模型库的支持，计算机上模拟的检人输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器，是进行此次仿真的必要条件。这样这一次仿真的目的，是为了检验设计方案在功能方面的正确性，查验是否存在错误。在仿真完成后，还要根据原理图所产生的电气连接网络表，进行PCB板的自动布局和布线。热分析、噪声和串扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析可在制作PCB前进行的PCB后分析中进行分析，还可在电路图上反标回分析后的结果参数。最后进行二次仿真，也被称为后仿真。经过仿真，主要是为了测试在实际工作环境中的PCB的可行性因为有了电路级的EDA技术，因此电子工程师在实际的电子系统产生前，就能全面了解电子系统的功能特性和物理系统，这使得他们可以在设计开发阶段就能将风险消除，使得开发时间大大缩短、开发成本大量降低。（2）系统级设计到了20世纪90年代后，电子信息类产品的开发明显呈现两个特点：一是产品复杂程度提高；二是产品上市时限紧迫。然而，电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设计，设计的所有工作（包括设计忙人、仿真和分析、设计修改等）都是在基本逻辑门这一层次上进行的，显然这种设计方法不能适应新的形势，一种高层次的电子设计方法，也即系统级设计方法，应运而生。高水平的设计是一个“概念驱动”的设计，设计师不需要用门级原理图来描述电路。而是需要对设计目标进行功能说明。为了使设计师可以专注于创造性的解决方案和概念，摆脱对具体电路的束缚，一旦这些概念以高层次的描述形式被输入到计算机中，EDA系统能够借助规则驱动的方式，从而自动完成全部设计。这大大缩短产品的开发周期，使得新概念能快速有效地成为一种产品。不仅如此，高层次的设计不可能涉及过程，而只定义了系统的行为。它也可以在生产商的综上海理工大学本科毕业设计(论文)4合库的支持中，使用集成优化工具将高层次的描述转换为某种过程优化的网络表，转换过程更加容易。完成专用集成电路ASIC设计与实现，是利用EDA技术进行电子系统设计的最终目标。作为最终的物理平台，ASIC集中包含了EDA技术将电子应用系统的功能和技术指标建立的硬件实体的具体实现。现如今，市场需求不断增加，集成技术的可行性和计算机自动设计技术的不断完善，单片机系统，或系统集成芯片已经成为集成电路设计的发展方向。其发展趋势主要是以下几个方面：1）超大规模集成电路的集成程度和技术水平的越来越高，深亚微米技术，如0.13微米，90纳米已经逐渐成熟、可以在同一个芯片上来完成系统级的集成。2）因为工艺线宽不断减少，许多寄生效应对半导体材料的影响也不容忽视。这使得EDA工具有了更高的要求。传统的ASIC市场开始有了可编程逻辑器件的进入。3）一个产品成功的关键因素还包括电子系统的成本，减小了系统的体积和设计速度，这也使得IP核和EDA工具的应用更加广泛。4）高性能的EDA工具也得到了极大发展，其自动化、智能化在不断的提高，使得嵌入式系统设计也有了一个功能强大的开发环境。5）计算机硬件平台的性能有了很大的提高，这也为一些复杂系统的设计提供了更强有力的物理基础。随着EDA技术的发展，对目标设备的各种性能要求越来越高，FPGA和ASIC将极大的相互融合。ASIC和FPGA之间开始变得没有明显的界限。系统级芯片不但可以集成RAM和微处理器，还整合了FPGA。EDA和IC设计产业正朝着这个方向努力，这不是FPGA和芯片制造商之间的竞争产品，但用户可以有更多的选择。1.2可编程逻辑器件上世纪70年代，一种新的集成器件被发展起来。它就是PLD，中文简称可编程逻辑器件。它是一种在大规模集成电路技术发展程中产生的半定制的集成电路。将PLD结合计算机软件技术，就能够快速、方便的构建数字系统。1970年代，只读存储器PROM出现，并开始出现可编程逻辑阵列器件PLA；上世纪70年代末期，可编程阵列逻辑PAL被AMD研发出来；1980年代，5通用阵列逻辑GAL出现；上世纪80年代中叶，Altera公司推出了可擦除的，设计灵活，集成度高，可多次反复编程的可编程逻辑器件EPLD。1990年代初19初期，在系统可编程概念ISP及其在系统可编程大规模集成器件ispLSI)被Lattice公司推出，引起了新的编程革命。如今，Altera、Xilinx、Lattice依然是主要的编程集成器材生产厂家，他们可以生产出速度达到550MHz，FPGA单片可达上千万门、采用65nm甚至更高的光刻技术生产出的集成器。1.2.1可编程逻辑器件的原理结构框图无论是简单的数字电路系统或者是复杂的，都是由基本门构成的，如与门、非门或门、传输门等。基本门可以构成两种数字电路，一类叫做时序电路，输出是输入的当前状态和系统功能的当前状态的一个函数，它包含一个存储单元。另一类是逻辑组合电路，输出是输入状态的函数；人们发现门会门二级可以实现任何组合逻辑电路。同样的任何时序电路可以结合电路元件的存储元件。因此，人们提出了乘积项逻辑可编程结构这种可编程电路结构。其原理结构图如图1-1所示。图1-1基于PLD器件的原理结构图1.2.2可编程器件的分类现在市场上有很多可编程逻辑器件。按照集成度来区分的PLD器件是比较常见的，一般以GAL22V10作为具体区分时的比较，其中集成度小于GAL22V10称为为简单PLD，反之为复杂PLD，如图1-2所示。输入缓冲电路与阵列或阵列输出缓冲电路上海理工大学本科毕业设计(论文)6图1-2PLD按集成度分类市面上有两大类逻辑器件，一是固定逻辑器件，另一种是可编程逻辑器件。正如其名称所指的，固定逻辑器件具有永久性的电路，一旦制造，它们不能改变，用来完成了一个或一组功能。而可编程逻辑器件功能更加强大，它能够为客户提供范围广泛的逻辑能力、功能多样化、速度和电压特性的标准成品组件，这种类型的设备可以在任何时候改变，执行许多不同的功能。根据设备的复杂性，固定逻辑器件从设计，原型到最终的生产，时间上可能会有所不同，从几个月到一年以上。而且，如果设备不能正常工作，或者如果应用程序要求更改，那么就必须开发新的设计。固定逻辑的设计和验证在前期工作中需要大量的“非经常性工程成本”。NRE表示，客户需要在固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前投入的所有成本。其中包括工程资源，用于芯片制造的不同