EDA軟件分類和介紹

電子設計自動化(英語:Electronic design automation,縮寫:EDA)是指利用計算機輔助設計(CAD)軟件,來完成超大規模集成電路(VLSI)芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計(包括佈局、佈線、版圖、設計規則檢查等)等流程的設計方式。
電子設計自動化發展的下一個重要階段以卡弗爾·米德(Carver Mead)和琳·康維於1980年發表的論文《超大規模集成電路系統導論》(Introduction to VLSI Systems)爲標誌。這一篇具有重大意義的論文提出了通過編程語言來進行芯片設計的新思想。

EDA軟件分類和介紹
下面按主要功能或主要應用場合,分爲電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件、PLD設計工具及其它EDA軟件,進行簡單介紹。

1、電子電路設計與仿真工具

電子電路設計與仿真工具包括SPICE/PSPICE;EWB;Matlab;SystemView;MMICAD等。下面簡單介紹前三個軟件。

(1)SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)

是由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件,是20世紀80年代世界上應用最廣的電路設計軟件,1998年被定爲美國國家標準。1984年,美國MicroSim公司推出了基於SPICE的微機版PSPICE(Personal—SPICE)。現在用得較多的是PSPICE6.2,可以說在同類產品中,它是功能最爲強大的模擬和數字電路混合仿真EDA軟件,在國內普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數據輸出、並在同一窗口內同時顯示模擬與數字的仿真結果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真,都可以得到精確的仿真結果,並可以自行建立元器件及元器件庫。

(2)EWB(Electronic Workbench)軟件

是InterAcTIve ImageTechnologies Ltd在20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2,相對於其它EDA軟件,它是較小巧的軟件(只有16M)。但它對模數電路的混合仿真功能卻十分強大,幾乎100%地仿真出真實電路的結果,並且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發生器、邏輯轉換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀,易學易用。它的很多功能模仿了SPICE的設計,但分析功能比PSPICE稍少一些。

(3)文字MATLAB產品族
它們的一大特性是有衆多的面向具體應用的工具箱和仿真塊,包含了完整的函數集用來對圖像信號處理、控制系統設計、神經網絡等特殊應用進行分析和設計。它具有數據採集、報告生成和MATLAB語言編程產生獨立C/C++代碼等功能。MATLAB產品族具有下列功能:數據分析;數值和符號計算;工程與科學繪圖;控制系統設計;數字圖像信號處理;財務工程;建模、仿真、原型開發;應用開發;圖形用戶界面設計等。MATLAB產品族被廣泛地應用於信號與圖像處理、控制系統設計、通訊系統仿真等諸多領域。開放式的結構使MATLAB產品族很容易針對特定的需求進行擴充,從而在不斷深化對問題的認識同時,提高自身的競爭力。

2、PCB設計軟件

PCB(Printed—Circuit Board)設計軟件種類很多,如Protel;OrCAD;Viewlogic;PowerPCB;Cadence PSD;MentorGraphices的ExpediTIon PCB;Zuken CadStart;Winboard/Windraft/Ivex-SPICE;PCB Studio;TANGO等等。目前在我國用得最多應屬Protel,下面僅對此軟件作一介紹。

Protel是PROTEL公司在20世紀80年代末推出的CAD工具,是PCB設計者的首選軟件。它較早在國內使用,普及率最高,有些高校的電路專業還專門開設Protel課程,幾乎所在的電路公司都要用到它。早期的Protel主要作爲印刷板自動佈線工具使用,現在普遍使用的是Protel99SE,它是個完整的全方位電路設計系統,包含了電原理圖繪製、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計(包含印刷電路板自動佈局佈線),可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能,並具有Client/Server(客戶/服務器體系結構,同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式,如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多層印製線路板的自動佈線,可實現高密度PCB的100%布通率。Protel軟件功能強大、界面友好、使用方便,但它最具代表性的是電路設計和PCB設計。

3、IC設計軟件

IC設計工具很多,其中按市場所佔份額排行爲Cadence、Mentor Graphics和Synopsys.這三家都是ASIC設計領域相當有名的軟件供應商。其它公司的軟件相對來說使用者較少。中國華大公司也提供ASIC設計軟件(熊貓2000);另外近來出名的AvanTI公司,是原來在Cadence的幾個華人工程師創立的,他們的設計工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常適用於深亞微米的IC設計。下出按用途對IC設計軟件作一些介紹。

(1)設計輸入工具

這是任何一種EDA軟件必須具備的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述語言VHDL、Verilog HDL是主要設計語言,許多設計輸入工具都支持HDL.另外像AcTIve—HDL和其它的設計輸入方法,包括原理和狀態機輸入方法,設計FPGA/CPLD的工具大都可作爲IC設計的輸入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的開發工具,Modelsim FPGA等。

(2)設計仿真工作

我們使用EDA工具的一個最大好處是可以驗證設計是否正確,幾乎每個公司的EDA產品都有仿真工具。Verilog—XL、NC—verilog用於Verilog仿真,Leapfrog用於VHDL仿真,Analog Artist用於模擬電路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim門級電路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS—verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog雙仿真器:Model Sim.Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。現在的趨勢是各大EDA公司都逐漸用HDL仿真器作爲電路驗證的工具。

(3)綜合工具

綜合工具可以把HDL變成門級網表。這方面Synopsys工具佔有較大的優勢,它的Design Compile是作綜合的工業標準,它還有另外一個產品叫Behavior Compiler,可以提供更高級的綜合。另外最近美國又出了一家軟件叫Ambit,說是比Synopsys的軟件更有效,可以綜合50萬門的電路,速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收購,爲此Cadence放棄了它原來的綜合軟件Synergy.隨着FPGA設計的規模越來越大,各EDA公司又開發了用於FPGA設計的綜合軟件,比較有名的有:Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,這三家的FPGA綜合軟件佔了市場的絕大部分。

(4)佈局和佈線

在IC設計的佈局佈線工具中,Cadence軟件是比較強的,它有很多產品,用於標準單元、門陣列已可實現交互佈線。最有名的是Cadence spectra,它原來是用於PCB佈線的,後來Cadence把它用來作IC的佈線。其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble—標準單元佈線器;Gate Ensemble—門陣列布線器;Design Planner—佈局工具。其它各EDA軟件開發公司也提供各自的佈局佈線工具。

(5)物理驗證工具

物理驗證工具包括版圖設計工具、版圖驗證工具、版圖提取工具等等。這方面Cadence也是很強的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

(6)模擬電路仿真器

前面講的仿真器主要是針對數字電路的,對於模擬電路的仿真工具,普遍使用SPICE,這是唯一的選擇。只不過是選擇不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE現在被Avanti公司收購了。在衆多的SPICE中,最好最準的當數HSPICE,作爲IC設計,它的模型最多,仿真的精度也最高。

4、PLD設計工具

PLD(Programmable Logic Device)是一種由用戶根據需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。目前主要有兩大類型:CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它們的基本設計方法是藉助於EDA軟件,用原理圖、狀態機、布爾表達式、硬件描述語言等方法,生成相應的目標文件,最後用編程器或下載電纜,由目標器件實現。生產PLD的廠家很多,但最有代表性的PLD廠家爲ALTERA、Xilinx和Lattice公司。

PLD的開發工具一般由器件生產廠家提供,但隨着器件規模的不斷增加,軟件的複雜性也隨之提高,目前由專門的軟件公司與器件生產廠家合作,推出功能強大的設計軟件。

下面介紹主要器件生產廠家和開發工具。

(1)ALTERA 20世紀90年代以後發展很快。主要產品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其開發工具—MAX+PLUS II是較成功的PLD開發平臺,最新又推出了Quartus II開發軟件。Altera公司提供較多形式的設計輸入手段,綁定第三方VHDL綜合工具,如:綜合軟件FPGA Express、Leonard Spectrum,仿真軟件ModelSim.

(2)ILINX FPGA的發明者。產品種類較全,主要有;XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的Vertex—II Pro器件已達到800萬門。開發軟件爲Foundation和ISE.通常來說,在歐洲用Xilinx的人多,在***和亞太地區用ALTERA的人多,在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以講Altera和Xilinx共同決定了PLD技術的發展方向。

(3)Lattice—Vantis Lattice是ISP(In—System Programmability)技術的發明者,ISP技術極大地促進了PLD產品的發展,與ALTERA和XILINX相比,其開發工具比Altera和Xilinx略遜一籌。中小規模PLD比較有特色,大規模PLD的競爭力還不夠強(Lattice沒有基於查找表技術的大規模FPGA),1999年推出可編程模擬器件,1999年收購Vantis(原AMD子公司),成爲第三大可編程邏輯器件供應商。2001年12月收購Agere公司(原Lucent微電子部)的FPGA部門。主要產品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5.

(4)ACTEL反熔絲(一次性燒寫)PLD的領導得,由於反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快,所以在軍品和宇航級上有較大優勢。ALTERA和XILINX則一般不涉足軍品和宇航級市場。

(5)Quicklogic專業PLD/FPGA公司,以一次性反熔絲工藝爲主,在中國地區銷售量不大。

(6)Lucent主要特點是有不少用於通訊領域的專用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要業務,在中國地區使用的人很少。

(7)ATMEL中小規模PLD做得不錯。ATMEL也做了一些與Altera和Xilinx兼容的片子,但在品質上與原廠家還是有一些差距,在高可*性產品中使用較少,多用在低端產品上。

(8)Clear Logic生產與一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片,這種芯片可將用戶的設計一次性固化,不可編程,批量生產時的成本較低。

(9)WSI生產PSD(單片機可編程外圍芯片)產品。這是一種特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,並支持ISP(在線編程),集成度高,主要用於配合單片機工作。

PLD(可編程邏輯器件)是一種可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型電路,只要有數字電路基礎,會使用計算機,就可以進行PLD的開發。PLD的在線編程能力和強大的開發軟件,使工程師可以在幾天,甚至幾分鐘內就可完成以往幾周才能完成的工作,並可將數百萬門的複雜設計集成在一顆芯片內。PLD技術在發達國家已成爲電子工程師必備的技術。

5、其它EDA軟件

(1)VHDL語言超高速集成電路硬件描述語言(VHSIC Hardware Deseription Languagt,簡稱VHDL),是IEEE的一項標準設計語言。它源於美國國防部提出的超高速集成電路(Very High Speed Integrated Circuit,簡稱VHSIC)計劃,是ASIC設計和PLD設計的一種主要輸入工具。

(2)Veriolg HDL是Verilog公司推出的硬件描述語言,在ASIC設計方面與VHDL語言平分秋色。

(3)其它EDA軟件如專門用於微波電路設計和電力載波工具、PCB製作和工藝流程控制等領域的工具,在此就不作介紹了。

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