基于虛擬技術(shù)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

楊賢軍

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006)

0 引言

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫(xiě)，在20世紀(jì)90年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件環(huán)境往往比較復(fù)雜，因此在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，很多院校都紛紛采用了基于虛擬化技術(shù)來(lái)構(gòu)建EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國(guó)內(nèi)有關(guān)基于虛擬技術(shù)構(gòu)建 EDA平臺(tái)的相關(guān)研究也有很多，比較有代表性的有：南京航空航天大學(xué)肖鐵軍，韓曉茹，張煥春的《基于Internet的虛擬 EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)》介紹了一個(gè)基于Internet的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電路的遠(yuǎn)程測(cè)試；洛陽(yáng)工業(yè)高等專科學(xué)校黃慧敏，江姝妍的《虛擬儀器在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用》系統(tǒng)地介紹了虛擬儀器技術(shù)的概念及其發(fā)展,以及EDA在電子類輔助教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的探討；揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)的《基于EDA技術(shù)的電類課程輔助實(shí)驗(yàn)》研究了應(yīng)用EDA技術(shù)的EWB軟件進(jìn)行電類課程的輔助實(shí)驗(yàn) ,并對(duì)使用軟件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析[1-2]。

從目前的研究來(lái)看，基于虛擬技術(shù)的EDA平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)往往只考慮到 EDA平臺(tái)所需要提供的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，所構(gòu)建的 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也更多的是圍繞EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所提出的各種實(shí)驗(yàn)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造。然而在構(gòu)造虛擬化的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，過(guò)多的強(qiáng)調(diào) EDA所具備的實(shí)驗(yàn)功能模塊而忽略了EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最終是作為一個(gè)教學(xué)輔助環(huán)境的目的，從而導(dǎo)致目前所設(shè)計(jì)的虛擬化EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)雖然功能往往比較完善或者強(qiáng)大[3]，卻不能很好地輔助學(xué)生開(kāi)展相關(guān)的 EDA實(shí)驗(yàn)操作，本文針對(duì)目前EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題，從EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所要具備的教學(xué)輔助功能入手，設(shè)計(jì)了一種新型的基于虛擬技術(shù)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4]。

1 虛擬EDA平臺(tái)的組成

本文設(shè)計(jì)的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既需要提供EDA實(shí)驗(yàn)的相關(guān)功能模塊，同時(shí)還要能夠?qū)DA實(shí)驗(yàn)過(guò)程提供輔助幫助，對(duì)用戶使用該平臺(tái)開(kāi)展EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶在使用EDA使用過(guò)程中所出現(xiàn)的各種問(wèn)題，并給與相應(yīng)提示性的指導(dǎo)操作，提高用戶使用EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效果。因此本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬EDA平臺(tái)的組成

從圖1可以看出，本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三大部分組成。部分一是虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程庫(kù)，部分二是虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可視化操作界面，部分三位虛擬 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程監(jiān)測(cè)部分。其中，工程庫(kù)是虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)模塊，在工程庫(kù)中存儲(chǔ)了 EDA實(shí)驗(yàn)的原理圖設(shè)計(jì)模塊，EDA實(shí)驗(yàn)中的電器規(guī)則應(yīng)用模塊、EDA實(shí)驗(yàn)的布線規(guī)則模塊和EDA實(shí)驗(yàn)中的方針模塊，應(yīng)用這些功能模塊可以為用戶開(kāi)展 EDA相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供豐富全面的實(shí)驗(yàn)條件，讓用戶能夠快速有針對(duì)性的開(kāi)展EDA相關(guān)功能模塊的實(shí)驗(yàn)?？梢暬缑婺K將為用戶提供EDA實(shí)驗(yàn)的各種操作環(huán)境和操作界面，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目的就是為用戶提供一個(gè)在真實(shí)EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作相類似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得用戶通過(guò)本文所設(shè)計(jì)的相關(guān) EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)EDA實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到與真實(shí)的EDA實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作相等價(jià)的實(shí)驗(yàn)效果，因此在EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可視化操作界面中，需要為用戶提供與真實(shí)的EDA實(shí)驗(yàn)完全一致的操作界面，使得用戶在本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)操作界面中進(jìn)行各種EDA實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、操作步驟以及看到的通信化界面及操作結(jié)果與實(shí)際的EDA環(huán)境是相一致的。過(guò)程監(jiān)測(cè)部分則完全是為保證本文設(shè)計(jì)的虛擬 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠更好的輔助擁護(hù)開(kāi)展EDA相關(guān)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的一個(gè)功能模塊，在該功能模塊中能夠自動(dòng)的對(duì) EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中工程庫(kù)預(yù)先存儲(chǔ)的各種 EDA實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析，形成EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)的參考數(shù)據(jù)[5-6]。

當(dāng)用戶從 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程庫(kù)選取了某個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為當(dāng)前EDA的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊將會(huì)自動(dòng)的分析用戶所選取的實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作內(nèi)容以及操作過(guò)程，根據(jù)用戶所需要完成的實(shí)驗(yàn)操作步驟，自動(dòng)的形成對(duì)用戶實(shí)驗(yàn)操作步驟的檢測(cè)流程，對(duì)用戶進(jìn)行 EDA實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的所有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建立檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和參考數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶應(yīng)本文設(shè)計(jì)的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展預(yù)先選定的EDA實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊自動(dòng)將用戶所進(jìn)行的 EDA操作以及所得到的EDA實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先產(chǎn)生的EDA實(shí)驗(yàn)參照數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如果對(duì)比的數(shù)據(jù)一致或者在運(yùn)行的誤差范圍之內(nèi)，則判定當(dāng)前用戶是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)步驟開(kāi)展EDA實(shí)驗(yàn)，這將表明用戶所進(jìn)行的EDA實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)過(guò)程是正確的。如果用戶得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考數(shù)據(jù)相差很大，或者用戶完全沒(méi)有得到EDA實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果，則本文設(shè)計(jì)的 EDA實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)模塊將根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的檢查點(diǎn)和檢查參考數(shù)據(jù)對(duì)用戶所進(jìn)行的 EDA實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行提示，告知用戶當(dāng)前的操作離預(yù)先設(shè)計(jì)的正確操作存在差距，引導(dǎo)用戶按正確的方法和步驟來(lái)開(kāi)展相關(guān)的EDA實(shí)驗(yàn)[7-8]。

在構(gòu)建虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過(guò)程中，平臺(tái)中的工程庫(kù)模塊和實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊是關(guān)鍵模塊，也是本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的特色部分，為此本文將圍繞這兩個(gè)部分的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 EDA實(shí)驗(yàn)功能模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的虛擬 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)，在EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文提出了如圖2 所示的EDA實(shí)驗(yàn)功能模塊的組成結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)功能模塊主要是針對(duì)EDA設(shè)計(jì)過(guò)程中的以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)：電路原理圖設(shè)計(jì)、電路電器規(guī)則檢測(cè)、電路布局布線設(shè)計(jì)和電路仿真模擬分析設(shè)計(jì)等。

圖2 EDA實(shí)驗(yàn)功能模塊的組成

圍繞本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要開(kāi)展的這些實(shí)驗(yàn)功能，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程庫(kù)中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的四個(gè)不同類別的信息庫(kù)，比如在原理圖設(shè)計(jì)模塊中，將針對(duì)一些常用的邏輯功能電路預(yù)先存儲(chǔ)了多種實(shí)現(xiàn)原理圖，而且即便是同一個(gè)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)也存儲(chǔ)了多個(gè)基于不同硬件芯片的電路設(shè)計(jì)原理圖，也有以不同的設(shè)計(jì)角度或者設(shè)計(jì)方法所實(shí)現(xiàn)的電路設(shè)計(jì)原理圖，當(dāng)用戶進(jìn)行EDA原理圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將可以從EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程庫(kù)中調(diào)取出預(yù)先存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)原理圖，使用戶能夠?qū)㈩A(yù)先存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)原理圖與其自身設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)EDA原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的種種問(wèn)題，而且當(dāng)用戶需要設(shè)計(jì)邏輯功能比較復(fù)雜的硬件電路時(shí)[9]，對(duì)于復(fù)雜硬件電路中的某些獨(dú)立的功能子模塊的設(shè)計(jì)則完全可以調(diào)用EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中所提供的標(biāo)準(zhǔn)原理圖模塊，這將大大降低用戶進(jìn)行復(fù)雜EDA實(shí)驗(yàn)時(shí)所付出的工作量，而且也有助于用戶將更多的精力放在需要考慮 EDA設(shè)計(jì)的其他問(wèn)題，避免用戶花費(fèi)大量的時(shí)間在一些相對(duì)簡(jiǎn)單的重復(fù)的EDA設(shè)計(jì)工作中，從而確保用戶利用本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠從事一些較為復(fù)雜的EDA實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

采取類似的方式，在EDA設(shè)計(jì)的工程庫(kù)中，所對(duì)應(yīng)的電路電器規(guī)則檢測(cè)、電路布局布線功能模塊和模擬仿真功能模塊都設(shè)置了不同的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)現(xiàn)策略。用戶既可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)出系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，與其自行設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行對(duì)比，判斷兩種方案的優(yōu)劣，同時(shí)也可以在用戶進(jìn)行一些較為復(fù)雜的EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，直接調(diào)用系統(tǒng)提供的某些標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，降低用戶的開(kāi)發(fā)難度。

本文設(shè)計(jì)的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在構(gòu)建了EDA實(shí)驗(yàn)工程庫(kù)后將采用虛擬化技術(shù)通過(guò)構(gòu)建虛擬機(jī)及運(yùn)行虛擬的EDA開(kāi)發(fā)工具，使得用戶能夠獲得與真實(shí)的EDA操作環(huán)境完全一致的模擬操作環(huán)境，在模擬操作環(huán)境中將為用戶提供 EDA實(shí)驗(yàn)所需要的所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的模擬，確保用戶在本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中能夠進(jìn)行和真實(shí)的 EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程完全一致的實(shí)驗(yàn)操作。

3 EDA實(shí)驗(yàn)的過(guò)程監(jiān)測(cè)

對(duì) EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)是本文設(shè)計(jì)的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所具備的一個(gè)特殊功能，利用該功能可以正確的開(kāi)展EDA相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理如圖 3所示。從圖 3可以看出當(dāng)用戶從 EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工程庫(kù)中選取了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)的生成對(duì)應(yīng)該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)操作方法和操作步驟，并給出各個(gè)步驟操作之后的參考數(shù)值。這一數(shù)據(jù)的生成過(guò)程是通過(guò)對(duì) EDA平臺(tái)中的所有任務(wù)進(jìn)行科學(xué)的劃分之后形成的。之后，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊對(duì)用戶進(jìn)行的 EDA實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)抽取用戶操作的特征信息，建立一個(gè)與EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置的對(duì)比參考節(jié)點(diǎn)相一致的用戶操作節(jié)點(diǎn)。然后將對(duì)比參考節(jié)點(diǎn)中的所有數(shù)值與對(duì)應(yīng)的用戶操作節(jié)點(diǎn)中的數(shù)值進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)一致，則認(rèn)為用戶是按照預(yù)先設(shè)置的操作步驟開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，否則就對(duì)用戶的操作過(guò)程進(jìn)行預(yù)警提示，同時(shí)給出用戶進(jìn)行正確操作的引導(dǎo)步驟，因此，利用本文設(shè)計(jì)的這一過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊可以有效地對(duì)用戶實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和正確引導(dǎo)，提高用戶使用EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際效率[10]。

圖3 用戶EDA實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于虛擬機(jī)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)虛擬機(jī)技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┕δ軓?qiáng)大模擬仿真程度高的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)本文設(shè)計(jì)的EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中增加了對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)的過(guò)程監(jiān)測(cè)功能，有效的對(duì)用戶開(kāi)展 EDA實(shí)驗(yàn)的中間過(guò)程及所得到的中間結(jié)果及時(shí)監(jiān)測(cè)，引導(dǎo)用戶按照正確的方法和步驟開(kāi)展EDA實(shí)驗(yàn)，大幅提高了EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合利用效果，在實(shí)際應(yīng)用中收效明顯。

[1] 孫旭,謝興紅,林凡強(qiáng),等.單片機(jī)、DSP、EDA的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2008,6(06):55-57.

[2] 張曉燕,李洋.EDA技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)體系中應(yīng)用的探索和實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(12):48-49.

[3] 楊敏.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng) EDA教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(02):110-112.

[4] 孔棟,鄭建宏.嵌入式TCPIP協(xié)議棧LWIP在ARM平臺(tái)上的移植與應(yīng)用[J].通信技術(shù),2008,41(06):38-40.

[5] 肖鐵軍,韓曉茹,張煥春. 基于Internet的虛擬EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2005,19(14):56-60.

[6] 黃慧敏,江姝妍.虛擬儀器在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2006(03):69-70.

[7] 王鵬,曹秀英.基于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)線接入點(diǎn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2004(12):45-47.

[8] 楊永,萬(wàn)曉榆,樊自甫.基于ARM9嵌入式網(wǎng)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2008,41(03):68-70.

[9] 段曉華.密碼學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(03):178-180.

[10] 劉地軍,鐘宏.基于 ARM架構(gòu)的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)[J].信息安全與通信保密,2010(12):76-77,80.