EDA中典型數字系統設計概述

郝超杰+付振峰

摘 要：隨著科學技術的迅速發展，電子工業界經歷了巨大的飛躍，當前數字系統的設計正朝著速度快、容量大、體積小和重量輕的方向發展。推動該潮流迅猛發展的引擎就是日趨進步和完善的ASIC技術。數字系統的設計可以直接面向用戶的需求，根據系統的行為和功能要求，自頂向下地逐層完成相應的描述、綜合、優化、模擬和驗證，直到生成器件。所有設計過程除了系統行為和功能描述基本上都可以用計算機來自動完成，做到了電子設計自動化（EDA）。

關鍵詞：電子工業；數字系統；自動化

目前，基于芯片級的設計、自頂向下設計和設計模擬成為數字電路系統設計的主要手段和方式。隨著數字系統設計的要求越來越精密化和集成化，引入EDA技術無疑是電子技術未來發展的主要方向，EDA技術將簡化電子數字系統設計流程，提高設計一次性成功率，縮短產品設計時間優化設計方案[1]。任何一項新技術和新工具的產生和發展，都有其自身的極大優越性，而這種優越性主要源自于新設計方法的引入。設計人員只有在掌握了這些新的設計方法后，才能夠有效地利用這些新技術和新工具更好地為設計服務。

1 典型數字系統的設計流程

一般來說，數字系統的設計可以分為四個層次，它們分別是系統級設計、電路級設計、芯片設計和電路板設計[2]。而對應于數字系統設計的四個層次，可以把一個數字系統的設計分為以下幾個步驟：系統設計、電路設計，芯片設計、PCB設計、電路調試、系統調試和結構設計。

系統設計，系統設計主要是對總體設計部門給出的設計任務以及設計的一些要求進行分析，目的是設計任務要求轉換成明確的可實現的功能和技術指標要求，并且確定可行的技術方案。

電路設計，電路設計的主要任務是根據技術方案來確定數字系統所需要的算法和電路形式，在電路上描述數字系統的功能。

芯片設計，芯片設計是根據電路設計所確定的算法和電路形式，通過設計芯片內部的邏輯功能來實現這些算法和電路，即設計具有專門用途的集成電路芯片。

PCB設計，PCB設計使芯片設計工作的延續，它的任務是實現數字系統的整體功能，同時進行初步的工藝和系統機械結構的設計，主要進行兩方面的工作，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合起來形成完整的數字系統；另一方面按照電路的尺寸、工藝和環境的要求，確定電路板的尺寸和形狀，并進行有效的布局和布線。

調試，調試的目的是為了對設計的數字系統進行檢查以發現設計中存在的問題。一般來說，調試按照不同的要求可以分為兩種：電路調試和系統調試。無論是電路調試還是系統調試，一旦發現問題，都需要回到電路設計、芯片設計、和PCB設計以修改出現問題的電路板，芯片，PCB的設計。

結構設計，結構設計屬于工藝和工業造型的問題，主要包括機箱設計和面板設計，可以和上述步驟同步進行。

2 典型數字系統設計的基本方法

在進行數字系統的設計過程中，所采用的基本方法有兩種：自頂向下的設計方法[3]和編碼的方法。

自頂向下的設計方法，實際上就是基于芯片的系統設計方法，它在功能劃、任務分配和設計管理上具有一定的優越性。所謂自頂向下的設計方法就是利用功能分割手段將設計由上至下進行層次化和模塊化，即分成次、分模塊地對數字系統進行設計和模擬。功能分割采用逐級分割的方式，首先將系統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，可以將一個復雜的數字系統逐步細化并將功能模塊化。這樣，高層次的設計主要進行系統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描述則在下一層次中說明，最低層的設計才涉及到具體的門級電路。

3 典型數字系統設計的基本準則

在進行數字系統設計的過程中，通常需要考慮設計的功能和性能要求、元件器件的資源配置、設計工具的可實現性以及系統的開發經費等多方面的條件和需求。對于具體的數字系統來說，雖然設計的條件和需求不盡相同，實現的具體方法也不同，但是數字系統設計還是具備一些共同的基本準則：

分割準則，自頂向下的設計方法或者其它層次化設計方法，往往都需要對數字系統的功能進行分割，然后再使用邏輯語言來進行具體的描述。在進行逐級分割的過程中，如果功能分割過細，，則會帶來不必要的重復和繁瑣；如果功能分割過粗，則會使子模塊不易用邏輯語言來進行描述。

同步和異步電路，在設計過程中，設計人員應該盡量采用同步電路進行設計，而避免使用異步電路，在必須使用異步電路的場合下，應該采取一定的措施來避免較大的系統時延和邏輯冒險。

最優化設計，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，因此用邏輯器件設計數字系統的過程就相當于一個求取最優化設計的過程。一般來說，求取最優化設計過程需要給定邊界條件和最優化目標這兩個約束條件。約束條件即指器件的性能和資源限制。最優化目標有好多種，最常見的有期間利用率最高、系統工作速度最快和實現性最好三種。

系統的可觀測性，在一個數字系統的設計中，應該同時考慮功能檢查和性能的測試，即解決系統觀測性的問題。可以設計觀測電路來指示系統內部的工作狀態。而一班來說，建立觀測電路常常需要遵循以下原則：對系統的關鍵性信號進行觀測；對具有代表性的節點和線路上的信號進行觀測；具有簡單的系統是否正常判斷能力。

4 結語

一個數字系統的設計通常需要經過反復的修改、測試、優化才能達到系統設計的要求，在實際設計的過程中，設計人員需要在各種設計要求、約束條件和優化規制等方面反復權衡利弊、折中以求達到系統設計的性能要求。設計總體上流暢，具有良好的可觀測性，結構協調、資源配置、I/O分配合理，沒有任何設計和性能上的瓶頸，易于修改和移植，器件的資源、速度和性能得到充分的發揮，如果該數字系統可以滿足以上五點要求，就可以稱為是一個理想的設計。

參考文獻

[1]彭子毓，《基于EDA技術的數字系統設計》，成都電子科技大學，電腦編程技巧與維護。

[2]于濟錚，梁高衛，《基于EDA技術的數字系統設計研究》，邵陽學院，《信息通信》，2015年第2期。

[3]徐瓊燕，《數字電路及EDA實驗系統設計及其應用》，南昌大學工程碩士研究生學位論文。

指導老師：郭敏