数字电路的发展及应用——集成电路的现状与前景及EDA技术探究

目 录摘要1Abstract1引言21集成电路现状与前景21.1国际集成电路技术和市场形势分析21.2国内现状及前景32 EDA技术概述42.1 EDA技术的定义构成及特点42.2 EDA技术的发展52.3基于EDA技术的电子系统设计方法52.4基于EDA技术的现场可编程门阵列(FPGA)电路6结束语8参考文献：9数字电路的应用与发展集成电路现状与前景及EDA技术探究学生姓名：许文涛 学号：20095042030学 院：物理电子工程学院 专业：电子信息工程指导教师：李长庚 职称：副教授摘要：时至今日，“数字化”的浪潮几乎席卷了电子技术的一切领域。电子设计的必由之路是数字化，这已成为共识。电子产品正在以前所未有的速度进行着革新。在数字集成电路方面，电路的集成度如摩尔定律所预言的那样，以每12年翻一番的速度增长，使电路的复杂程度越来越高、规模越来越大。可以预见，未来很长一段时间内电子领域仍将是数字化与集成化的天下。由于电子产品的更新周期日益缩短，新产品开发速度日益加快，因而对电子设计自动化（EDA）提出了更高的要求，也有力地促进了EDA技术的发展和普及。本文慨括阐述了集成电路的现状与前景及EDA技术，重点阐述EDA技术。关键词：数字电路；集成电路；EDA技术 Application and development of digital circuitAbstract:Today,”digital tide engulfed almost all areas of electronic technology.Electronic design the route one must take is digitized,this has become a consensus.Electronic products are to the hitherto unknown pace of innovation.In digital integrated circuits,the integration level of the circuit such as Moores law as predicted,with every12 years to double the speed of growth,make the circuit complexity is getting higher and higher,more and more large scale.Can foreknow,the future for a long time the electronic field will still be digitized and integrated world.Due to the electronic product updates cycle to shorten increasingly,new product development speed to be accelerated increasingly,so the electronic design automation ( EDA ) has put forward higher requirements,but also effectively promoted the development of EDA technology and popularization.The paper summarizes the expounds the current situation and Prospect of integrated circuit and EDA technology, focusing on EDA technology.Keywords: digital circuit;integrated circuit;EDA Technology引言电子发展的趋势是数字化与集成化，这是一个不争的事实，从数字集成电路的现状与前景出发，引出EDA技术的发展概况，以及基于EDA技术的电子系统设计的方法和步骤，对于快速实现系统数字集成，具有深刻的理论意义和实际应用价值。1集成电路现状与前景1.1国际集成电路技术和市场形势分析集成电路是换代节奏快、技术含量高的产品。从当今国际市场格局来看，集成电路企业之间在知识产权主导权上斗争激烈，重要集成电路产品全球产业组织呈现出跨国公司(准)寡头垄断的特征，集成电路跨国公司销售、制造、研发布局朝全球化方向发展。 1.11产品研究开发至关重要 集成电路产品研发和换代周期较短。按照摩尔定律，集成芯片上所集成的电路数目，微处理器的性能，每隔一个周期就翻一番；好比单位货币所能购买到的电脑性能，每隔一个周期就翻两番。为什么集成电路产品研发换代周期如此之短?因为芯片制造商要以最短时间，尽其所能，开发新技术，将技术标准更新换代，以实现产品性价比迅速优化，并大规模锁定消费者群体，乃至防止自身技术标准锁定的消费者、使用者群体流失到竞争厂商那儿去。由此，集成电路制造商要生存和发展，必须从销售收入之中，高比率地支出研发预算，建设研发队伍，开展研发行动。研发主要目标在于，形成具有性价比优势的技术标准和产品规格。1.12重要集成电路产品全球产业组织呈现出跨国公司寡头垄断的特征 集成电路厂商要做到大规模锁定消费者群体，除在研发投入和节奏上要占优势和先机之外，还需要尽可能地将产品市场国际化。因为只有以高度国际化的市场为基础，企业才能在产品生产和销售上取得规模经济优势，才能摊薄昂贵的研发成本。全球产品市场规模的扩张和研发强度的加大又是相辅相成的。于是，对集成电路等产业来说，若以全球市场为背景，我们会看到这样一幅图景：一旦某个企业在市场份额上初占优势，它在研究开发经费的投入，在技术标准的推出和拥有，在锁定消费者步伐等方面，都会较长时间处于优势或领先的地位。全球市场份额也会朝向寡头集中，直至另一个后起之秀再凭借某些条件，逐步突破原有优势企业的寡头地位，并推动市场份额重组，乃至再次形成新的销售市场朝向单寡头或少数寡头集中的格局特征1.13跨国公司销售、制造、研发布局朝全球化方向发展 2007年全球集成电路销售收入最多的十家公司分别是英特尔，三星电子、东芝、德州仪器、意法半导体、英飞凌、现代半导体、瑞萨、恩智浦和日本电气。十大巨头均为跨国公司，均以全球市场为背景，进行制造、销售、研发基地配置，以尽可能地取得行业竞争优势。以英特尔公司为例。英特尔在50个国家开设约300个分支机构，总公司对分支构架的控制主要采取控股、内部化方式，全球化布局战略在销售、制造、研发等方面都得到充分体现。 1.2国内现状及前景1.21集成电路是中国的“短腿”产业 我国集成电路的设计和制造还处在起步发展阶段，远不具备强势国际分工地位。这在多方面都有所体现。集成电路是中国大额逆差产业。尽管近年我国货物贸易实现巨额贸易顺差，但顺差、逆差产业的分化明显。顺差主要集中在纺织、家电等产业上，而集成电路、矿产、塑料等发生大额逆差。集成电路产业要发展，需要以企业拥有强势知识产权所有权为基础，而专有权贸易项大额逆差实际上和集成电路设计产业处在幼稚期密切相关。1.22中国本土企业的借鉴经验 目前，在智能卡，固定和无线网络、消费电子、家电所用芯片，以及PC机外围芯片等产品领域，我国已经有若干集成电路设计制造企业，自主品牌业务迅速增长。境内自主品牌企业的成长经历初步表明，国内大市场能够为企业成长提供比较优势，知识产权建设是企业可持续成长的推动力，企业应该高度重视知识产权贸易纠纷应对，目前中国集成电路企业“走出去”尚不普遍。 1.23若干中低端集成电路设计企业迅速成长根据来自中国半导体行业协会的数据，中国内地集成电路设计产业销售收入从2002年的21.6亿元增长到2006年的186亿元，年均增长71.3。位居2007年销售额前五位的企业分别是中国华大集成电路、深圳海思半导体、上海展讯通信、大唐微电子、珠海炬力集成电路。我国集成电路的本土“巨头”的业务范围主要集中在智能卡、多媒体、通信卡等低端业务上。同时，这些企业在成长早期的某个三至五年时间段，都发生过业务量迅猛增长。其中，珠海炬力2002-2005年间销售收入年均增长高达950；上海展讯通信2007年销售收入相比上年增长了233.1，中国华大集成电路2004-2006年销售收入年均增长62.6。 1.24企业主动“走出去”尚不普遍 目前就企业国际化而言，境内快速成长的企业均在自身设计产品出口方面取得了较大进展。集成电路之所以成为中国的短腿产业，有其内在原因。集成电路企业的启动需要有较先进的技术和较强劲的资本实力作为基础；也需要国内居民普遍的收入达到一定水平，以支撑电脑、手机、消费电子、高端家电等购买阀值相对较高的产品形成市场规模。至于某些中高端芯片产品发展，国内企业还处于成长初期，会面临外方强势跨国公司全面垄断市场的压力。全面考虑这些情况，作为“短腿”的中国集成电路产业的发展历程必定是一个不断在技术和市场上构建优势，并突出外方强势企业重围的过程。 为推动我国信息产业和集成电路的发展，增强信息产业创新能力和国际竞争能力，带动传统产业改造和产品升级换代，国家实行“集成电路税收优惠、软件企业上市优先”的政策，国务院已于1999年7月印发了鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策。 为打破几十年来，国内“硬件不做CPU，软件不做操作系统”的现象，中国国家高技术智能计算机系统专家组以国家的行为通过各种方式联合攻关，这为新世纪的软件与集成电路产业大发展吹响了世纪的号角。 2 EDA技术概述二十世纪后半期，随着集成电路和计算机的不断发展，电子技术面临着严峻的挑战。由于电子技术发展周期不断缩短，电子产品设计系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化,专用集成电路(ASIC)的设计面临着难度不断提高与设计周期不断缩短的矛盾。为了解决这个问题，要求我们必须采用新的设计方法和使用高层次的设计工具。各种电子系统的设计软件应运而生。 在这些专业化软件中,EDA(Electronic Design Automation即电子设计自动化)技术具有一定的代表性。2.1 EDA技术的定义构成及特点 所谓EDA技术是在电子CAD（ Computer Aided Design，即计算机辅助设计）技术基础上发展起来的计算机软件系统。它是以计算机为工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)为设计载体，以专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、单片电子系统SOC(System On a Chip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。在此过程中，设计者只需利用硬件描述语言HDL(Hardware Description language)，在EDA工具软件中完成对系统硬件功能的描述，EDA工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。 现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛，从ASIC开发与应用角度看，包含以下子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线子模块等。EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用VHDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。 2.2 EDA技术的发展 EDA 技术的发展至今经历了三个阶段：电子线路的CAD是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。 EDA技术中级阶段已具备了设计自动化的功能。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。 高级EDA阶段，又称为ESDA (电子系统设计自动化)系统。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念：自顶而下(TOP-Down)的设计程式和并行工程(Concurrent Engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述。可进行系统级的仿真和综合。2.3基于EDA技术的电子系统设计方法 2.31电子系统电路级设计首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析和可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。 可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。2. 系统级设计 系统级设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。 系统级设计的步骤如下： 第一步：按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。 第二步：输入VHDL代码，这是系统级设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式(框图、状态图等)，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。 第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。 第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。 第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。 第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。2.4基于EDA技术的现场可编程门阵列(FPGA)电路对传统电子系统设计方法与现代电子系统设计方法进行比较,引出了基于EDA技术的现场可编程门阵列(FPGA)电路, FPGA是近年来迅速发展的大规模可编程专用集成电路应用的典型代表,在数字系统设计和控制电路中越来越受到重视。2.41 FPGA结构概述及特点 现场可编程门阵列FPGA作为集成度和复杂程度最高的可编程ASIC。是ASIC的一种新型门类,它建立在创新的发明构思和先进的EDA技术之上。运算器、乘法器、数字滤波器、二维卷积器等具有复杂算法的逻辑单元和信号处理单元的逻辑设计都可选用FPGA实现。以Xilinx（赛灵思，全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商）的FPGA器件为例,它的结构可以分为3个部分:可编程逻辑块CLB(Configurable Logic Blocks)、可编程I/O模块IOB(Input/Output Block)和可编程内部连接PI (Programmable Interconnect)。CLB在器件中排列为阵列,周围环形内部连线,IOB分布在四周的管脚上。Xilinx的CLB功能很强,不仅能够实现逻辑函数,还可以配置成RAM等复杂的形式。 现场可编程门阵列FPGA是含有大规模数字电路的通用性器件。这些数字电路之间的互联网络是由用户使用更高级的软件来定义的。FPGA可以进行无限次的重复编程,从一个电路到另一个电路的变化是通过简单的卸载互联文件来实现的,极大地推动了复杂数字电路的设计,缩短了故障检查的时间。 传统的数字逻辑设计使用TTL电平和小规模的数字集成电路来完成逻辑电路图。使用这些标准的逻辑器件已经被证实是最便宜的手段,但是要求做一些布线和复杂的电路集成板(焊接调试)等工作,如果出现错误,改动起来特别麻烦。因此,采用传统电子设计方案人员的很大一部分工作主要集中在设备器件之间物理连接、调试以及故障解决方面。正是因为FPGA的EDA技术使用了更高级的计算机语言,电路的生成基本上是由计算机来完成,将使用户能较快地完成更复杂的数字电路设计,由于没有器件之间的物理连接,因此调试及故障排除更迅速、有效。可编程特点有助复杂电路设计 FPGA能进行无限次的重复编程。因此能够在相同的器件上进行修改和卸载已经完成好的设计。在一个FPGA芯片上的基本部件数量增加了很多,这使得在FPGA上实现非常复杂的电子电路设计变成比较现实。由于采用FPGA的EDA技术所产生的性价比更高一些,从而使得最近有多家公司开始采用这项技术,并且这种增长趋势仍旧在继续。 FPGA中的逻辑块是CLB,逻辑块是指PLD(Programmable Logic Device)芯片中按结构划分的功能模块,它有相对独立的组合逻辑单元,块间靠互连系统联系。FPGA的逻辑块粒度小,输入变量为48,输出变量为12,每块芯片中有几十到上千个这样的单元,使用时非常灵活。FPGA内部互连结构是靠可编程互联P I实现逻辑块之间的联接。它的互联是分布式的,它的延时与系统布局有关,不同的布局,互联延时不同。根据FPGA的不同类型,可采用开关矩阵或反熔线丝技术将金属线断的端点连接起来,从而使信号可以交换于任意两逻辑单元之间。 采用FPGA技术集成设计数字电路产品最大的特点就是可以使设计和实现相统一,无须前期风险投资,而且设计实现均在实验室的EDA开发系统上进行,周期很短,大大有利于现代产品的市场竞争需求,所以,FPGA的应用设计,特别适应于电子新产品的小批量开发,科研项目的样机试制以及ASIC产品设计的验证,能够进行现场设计实现、现场仿真及现场修改。由此,受到电子产品设计工程师的广泛推崇和欢迎。 2.42 FPGA的应用领域 FPGA所具有的无限次可重复编程能力,灵活的体系结构,丰富的触发器及布线资源等一系列的特点使得它可以满足电子产品设计的多种需求。FPGA的应用领域主要集中在替换通用逻辑和复杂逻辑、重复编程使用、板极设计集成、高速计数器、加减法器、累加器和比较器的实现、总线接口逻辑等方面。 应用和开发FPGA必须对器件的性能有一个全面了解,例如对器件的容量、速度、功耗,接口要求和引脚数目等进行综合考虑,同时还要注意以下几个细节问题: 时序电路应用“上电”复位电路,保证开机加电后,置时序电路于初始状态; 器件的电源与地引脚必须并接一只0.1F的无感电容,起滤波和去耦作用; 不能采用数目是偶数的反向器串联的方法构成“延时电路”,一则延时的时间不准确,二则自动编译时会作为冗余电路被简化掉; 主要的全局缓冲器必须由半专用的焊盘驱动,次要的全局缓冲器可以来源于半专用的焊盘或内部网线; 引脚之间严禁短路,忌用万用表直接测量器件引脚; 器件的I/ O口如被定义为输出端,忌对该端加信号,否则将损坏芯片; 低功耗的器件如接负载过大时,不仅会使所用器件的工作效率显著降低,甚至会损伤芯片。2.43前景展望 21世纪将是EDA技术的高速发展时期，EDA 技术是现代电子设计技术的发展方向，并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域随着集成电路技术的高速发展，数字系统正朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片(SoC，System on Chip)方向发展，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将给硬件设计领域带来巨大的变革。结束语随着信息数字化和电子集成技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。所以大力发展EDA技术对电子行业的数字化与集成化将产生不可估量的影响。作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要，更是时代发展的需求，只有掌握了EDA技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争，才能攀上电子数字化与集成化的高速公路，才能生存与发展。参考文献：1谭会生，张昌凡.EDA技术及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2001:57-592李经智.EDA技术及其应用J.齐齐哈尔大学学报，2006:32-353杜军.虚拟现实技术在教学中的应用J.山东师范大学学报(自然科学版)，2005，20(2)：121.4擦光辉CPLDTPGA的开发与应用M. 北京：电于工业出版社，2002:106-1075杜玉远EDA设计快速入门圆电子世界，2004,(1):24 6ALTERA公司,DATA BOOKM.北京:清华大学出版社,1998:41-427ALTERA公司,ADHL语言M.北京:清华大学出版社,1998:165-1668刘宝琴,ALTERA 可编程逻辑器件及其应用M.北京:清华大学出版社,1995:899John F.Wakerly.Digital Design-Principle&Practices.3rd ed. Beijing:Higher Education Press and Pearson Education North Asia Limited,2001.10Donald D. Givone. Digital Principles and Design. McGraw-Hill Compaines, Inc.,2003:38-4011ABT Logic Advenced High-Speed CMOS Data Book. Texas Instruments,2000:123-124转贴于 中国论文下载中心 9