郝超杰+付振峰
摘 要:隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,電子工業(yè)界經(jīng)歷了巨大的飛躍,當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝著速度快、容量大、體積小和重量輕的方向發(fā)展。推動該潮流迅猛發(fā)展的引擎就是日趨進(jìn)步和完善的ASIC技術(shù)。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以直接面向用戶的需求,根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求,自頂向下地逐層完成相應(yīng)的描述、綜合、優(yōu)化、模擬和驗證,直到生成器件。所有設(shè)計過程除了系統(tǒng)行為和功能描述基本上都可以用計算機(jī)來自動完成,做到了電子設(shè)計自動化(EDA)。
關(guān)鍵詞:電子工業(yè);數(shù)字系統(tǒng);自動化
目前,基于芯片級的設(shè)計、自頂向下設(shè)計和設(shè)計模擬成為數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計的主要手段和方式。隨著數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的要求越來越精密化和集成化,引入EDA技術(shù)無疑是電子技術(shù)未來發(fā)展的主要方向,EDA技術(shù)將簡化電子數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程,提高設(shè)計一次性成功率,縮短產(chǎn)品設(shè)計時間優(yōu)化設(shè)計方案[1]。任何一項新技術(shù)和新工具的產(chǎn)生和發(fā)展,都有其自身的極大優(yōu)越性,而這種優(yōu)越性主要源自于新設(shè)計方法的引入。設(shè)計人員只有在掌握了這些新的設(shè)計方法后,才能夠有效地利用這些新技術(shù)和新工具更好地為設(shè)計服務(wù)。
1 典型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計流程
一般來說,數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為四個層次,它們分別是系統(tǒng)級設(shè)計、電路級設(shè)計、芯片設(shè)計和電路板設(shè)計[2]。而對應(yīng)于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的四個層次,可以把一個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計分為以下幾個步驟:系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計,芯片設(shè)計、PCB設(shè)計、電路調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)構(gòu)設(shè)計。
系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)設(shè)計主要是對總體設(shè)計部門給出的設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計的一些要求進(jìn)行分析,目的是設(shè)計任務(wù)要求轉(zhuǎn)換成明確的可實現(xiàn)的功能和技術(shù)指標(biāo)要求,并且確定可行的技術(shù)方案。
電路設(shè)計,電路設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)技術(shù)方案來確定數(shù)字系統(tǒng)所需要的算法和電路形式,在電路上描述數(shù)字系統(tǒng)的功能。
芯片設(shè)計,芯片設(shè)計是根據(jù)電路設(shè)計所確定的算法和電路形式,通過設(shè)計芯片內(nèi)部的邏輯功能來實現(xiàn)這些算法和電路,即設(shè)計具有專門用途的集成電路芯片。
PCB設(shè)計,PCB設(shè)計使芯片設(shè)計工作的延續(xù),它的任務(wù)是實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的整體功能,同時進(jìn)行初步的工藝和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計,主要進(jìn)行兩方面的工作,一方面通過芯片和其它電路元件之間的連接將各種元器件結(jié)合起來形成完整的數(shù)字系統(tǒng);另一方面按照電路的尺寸、工藝和環(huán)境的要求,確定電路板的尺寸和形狀,并進(jìn)行有效的布局和布線。
調(diào)試,調(diào)試的目的是為了對設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行檢查以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。一般來說,調(diào)試按照不同的要求可以分為兩種:電路調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試。無論是電路調(diào)試還是系統(tǒng)調(diào)試,一旦發(fā)現(xiàn)問題,都需要回到電路設(shè)計、芯片設(shè)計、和PCB設(shè)計以修改出現(xiàn)問題的電路板,芯片,PCB的設(shè)計。
結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于工藝和工業(yè)造型的問題,主要包括機(jī)箱設(shè)計和面板設(shè)計,可以和上述步驟同步進(jìn)行。
2 典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本方法
在進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計過程中,所采用的基本方法有兩種:自頂向下的設(shè)計方法[3]和編碼的方法。
自頂向下的設(shè)計方法,實際上就是基于芯片的系統(tǒng)設(shè)計方法,它在功能劃、任務(wù)分配和設(shè)計管理上具有一定的優(yōu)越性。所謂自頂向下的設(shè)計方法就是利用功能分割手段將設(shè)計由上至下進(jìn)行層次化和模塊化,即分成次、分模塊地對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和模擬。功能分割采用逐級分割的方式,首先將系統(tǒng)分割成各個功能子模塊,然后將各個功能子模塊分解為邏輯快,而邏輯塊又可以分割成更小的邏輯快和電路。按照這樣的分割方式,可以將一個復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)逐步細(xì)化并將功能模塊化。這樣,高層次的設(shè)計主要進(jìn)行系統(tǒng)功能和接口的描述并說明模塊的功能和接口,而對于模塊功能的詳細(xì)描述則在下一層次中說明,最低層的設(shè)計才涉及到具體的門級電路。
3 典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本準(zhǔn)則
在進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的過程中,通常需要考慮設(shè)計的功能和性能要求、元件器件的資源配置、設(shè)計工具的可實現(xiàn)性以及系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)費(fèi)等多方面的條件和需求。對于具體的數(shù)字系統(tǒng)來說,雖然設(shè)計的條件和需求不盡相同,實現(xiàn)的具體方法也不同,但是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計還是具備一些共同的基本準(zhǔn)則:
分割準(zhǔn)則,自頂向下的設(shè)計方法或者其它層次化設(shè)計方法,往往都需要對數(shù)字系統(tǒng)的功能進(jìn)行分割,然后再使用邏輯語言來進(jìn)行具體的描述。在進(jìn)行逐級分割的過程中,如果功能分割過細(xì),,則會帶來不必要的重復(fù)和繁瑣;如果功能分割過粗,則會使子模塊不易用邏輯語言來進(jìn)行描述。
同步和異步電路,在設(shè)計過程中,設(shè)計人員應(yīng)該盡量采用同步電路進(jìn)行設(shè)計,而避免使用異步電路,在必須使用異步電路的場合下,應(yīng)該采取一定的措施來避免較大的系統(tǒng)時延和邏輯冒險。
最優(yōu)化設(shè)計,由于可編程邏輯器件的可編程邏輯資源、I/O資源和連線資源都是有限的,器件的性能有一定的限制,因此用邏輯器件設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的過程就相當(dāng)于一個求取最優(yōu)化設(shè)計的過程。一般來說,求取最優(yōu)化設(shè)計過程需要給定邊界條件和最優(yōu)化目標(biāo)這兩個約束條件。約束條件即指器件的性能和資源限制。最優(yōu)化目標(biāo)有好多種,最常見的有期間利用率最高、系統(tǒng)工作速度最快和實現(xiàn)性最好三種。
系統(tǒng)的可觀測性,在一個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計中,應(yīng)該同時考慮功能檢查和性能的測試,即解決系統(tǒng)觀測性的問題??梢栽O(shè)計觀測電路來指示系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)。而一班來說,建立觀測電路常常需要遵循以下原則:對系統(tǒng)的關(guān)鍵性信號進(jìn)行觀測;對具有代表性的節(jié)點和線路上的信號進(jìn)行觀測;具有簡單的系統(tǒng)是否正常判斷能力。
4 結(jié)語
一個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計通常需要經(jīng)過反復(fù)的修改、測試、優(yōu)化才能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的要求,在實際設(shè)計的過程中,設(shè)計人員需要在各種設(shè)計要求、約束條件和優(yōu)化規(guī)制等方面反復(fù)權(quán)衡利弊、折中以求達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的性能要求。設(shè)計總體上流暢,具有良好的可觀測性,結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)、資源配置、I/O分配合理,沒有任何設(shè)計和性能上的瓶頸,易于修改和移植,器件的資源、速度和性能得到充分的發(fā)揮,如果該數(shù)字系統(tǒng)可以滿足以上五點要求,就可以稱為是一個理想的設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
[1]彭子毓,《基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》,成都電子科技大學(xué),電腦編程技巧與維護(hù)。
[2]于濟(jì)錚,梁高衛(wèi),《基于EDA技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計研究》,邵陽學(xué)院,《信息通信》,2015年第2期。
[3]徐瓊燕,《數(shù)字電路及EDA實驗系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用》,南昌大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文。
指導(dǎo)老師:郭敏