數(shù)字化電子實驗中的EDA分析

重慶市輕工業(yè)學校 林 挺

前言

數(shù)字電子技術(shù)是普通高校和職業(yè)院校電子信息專業(yè)中的一門必修課，課程本身的理論性和實踐性較強，知識點復雜且抽象，需要以數(shù)字化電子實驗為依托，推動理論與實踐的結(jié)合，提升教學效果。新時期，數(shù)字化電子實驗在形勢與教學環(huán)境等方面出現(xiàn)了很大變化，原本的實驗教學出現(xiàn)了許多問題，無法滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展要求，在一定程度上影響了教學效果?；诖?，需要運用EDA技術(shù)，推動數(shù)字電子技術(shù)實驗教學的改革與創(chuàng)新。

1 數(shù)字化電子技術(shù)與EDA技術(shù)的定義

1.1 數(shù)字化電子技術(shù)

電子技術(shù)本身屬于一種基于電子模塊和元器件的組成技術(shù)，可以分為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，相比較而言，數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，抽樣定理是技術(shù)的核心所在，具體來講，就是依照一定的抽樣區(qū)間，針對模擬信號進行抽樣，以此來得到質(zhì)量更高、安全性更好的電子信號。而在實際應(yīng)用中，數(shù)字電子技術(shù)還能夠與計算機技術(shù)結(jié)合起來，滿足軟件與電子技術(shù)的相關(guān)需求。

數(shù)字電子技術(shù)有著良好的用戶體驗性，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，數(shù)字信號可以通過加密的方式，保證安全性的同時，也能夠提升接收端的信號接收效果。加密性保證了數(shù)字信號的可信度，使得其在傳輸和使用的過程中，可以有效避免數(shù)據(jù)丟失等問題；另一方面，數(shù)字電子技術(shù)可以保證信號效果，提升其接收質(zhì)量。以抽樣定理為核心的數(shù)字電子技術(shù)可以通過對模擬信號的抽樣處理，更加真實地對信號信息還原，降低信號噪音，有助于信號質(zhì)量的提高[1]。

1.2 EDA技術(shù)

EDA的全稱是Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化，其本身是基于計算機輔助設(shè)計CAD、計算機輔助制造CAM、計算機輔助工程CAE和計算機輔助測試CAT發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，強調(diào)在EDA軟件平臺上，利用計算機工具，結(jié)合VerilogHDL硬件描述語言進行文件設(shè)計，實驗載體可以選擇大規(guī)?？删幊唐骷?，將電子系統(tǒng)設(shè)計作為目標，系統(tǒng)級仿真、綜合技術(shù)和高級語言描述是其主要特征。EDA技術(shù)基本代表了電子設(shè)計技術(shù)最新的發(fā)展方向，在先進可發(fā)工具的支持下，能夠自動實現(xiàn)邏輯編輯、化簡、分割、優(yōu)化等操作，可以極大地簡化設(shè)計工作，設(shè)計人員可以通過分析提前預(yù)知設(shè)計結(jié)果，提升設(shè)計的針對性，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，同時也能夠有效降低設(shè)計成本[2]。

2 EDA技術(shù)的發(fā)展

EDA出現(xiàn)前，在開展集成電路的設(shè)計時，相關(guān)工作需要設(shè)計人員手工完成，之所以能夠如此，是因為當時的集成電路相對簡單。二十世紀七十年代中期，開發(fā)設(shè)計人員開始嘗試運用先進技術(shù)，推動設(shè)計過程的自動化，并成立了設(shè)計自動化會議。1980年，《超大規(guī)模集成電力系統(tǒng)導論》的發(fā)表，提出運用編程語言完成芯片設(shè)計的相關(guān)思路，希望能夠借助集成電路邏輯仿真和功能驗證等工具，提升芯片設(shè)計的復雜程度。計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)計人員能夠在構(gòu)建硬件電路前，就設(shè)計項目進行仿真，在這種情況下，芯片布局布線等工作對于人工設(shè)計的需求進一步降低，軟件的正確率也得到了顯著提升[3]?，F(xiàn)如今，雖然設(shè)計語言和設(shè)計工具不斷創(chuàng)新，但是對于數(shù)字集成電路的設(shè)計而言，以編程語言來對預(yù)期行為進行設(shè)計和驗證，以軟件工具綜合得到低抽象級物理設(shè)計，依然是非常重要的基礎(chǔ)。1987年，VHDLL硬件描述語言得以產(chǎn)生，推動了仿真系統(tǒng)的飛速發(fā)展，運用這些系統(tǒng)，設(shè)計人員能夠直接完成設(shè)計芯片的仿真工作。最近十數(shù)年，半導體技術(shù)的飛速發(fā)展使得集成電路的規(guī)模迅速擴大，電子設(shè)計自動化顯得越發(fā)重要，EDA技術(shù)在機械、通信、化工、電子、醫(yī)學乃至軍事、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，受到了設(shè)計人員和技術(shù)人員的高度重視[4]。

3 EDA技術(shù)的流程

EDA技術(shù)的出現(xiàn)，引發(fā)了數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的變革，其基本設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 EDA技術(shù)設(shè)計流程

一是設(shè)計輸入，對于一個設(shè)計項目而言，可以包含一個或者多個源文件，這些文件的形式多種多樣，包括混合輸入文件、VHDL文本文件以及原理圖文件等；二是綜合，簡單來講，就是利用EDA系統(tǒng)綜合其，將軟件設(shè)計與硬件可實現(xiàn)性掛鉤，推動軟件向硬件電路的轉(zhuǎn)化。EDA本身具備較好的邏輯綜合及優(yōu)化功能，可以幫助設(shè)計人員將設(shè)計出的邏輯電路圖自動轉(zhuǎn)化成門級電路，同時生成相應(yīng)的文件報表[5]；三是布局布線，在綜合后，需要結(jié)合相應(yīng)的適配器，針對某個具體目標，進行文件邏輯映射，這個過程稱為適配，或者說是布局布線工作，適配對象能夠直接和器件結(jié)構(gòu)的細節(jié)相互對應(yīng)；四是仿真，設(shè)計完成后，需要運用EDA工具，針對適配結(jié)果進行仿真測試，仿真的級別可以分為兩種，一種是時序仿真，即針對適配文件的仿真，與真實器件運行特性接近，在仿真環(huán)節(jié)充分考慮了硬件特性，仿真精度高。另一種是功能仿真，僅針對設(shè)計描述中的邏輯功能進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果判斷功能是否可以滿足設(shè)計需求，并不會涉及器件的硬件特性[6]；五是編程下載，經(jīng)過仿真確認設(shè)計合理后，可以利用Byteblaster下載電纜線，將適配生成的下載或者配置文件下載到器件中，然后開展調(diào)試驗證工作。下載完成后，需要針對硬件系統(tǒng)進行統(tǒng)一測試，查看設(shè)計項目在目標系統(tǒng)上能夠正常工作，對于存在的問題，需要及時通過優(yōu)化設(shè)計的方式進行解決。

4 EDA技術(shù)下的實驗框架

從目前來看，我國自主研發(fā)的虛擬實驗臺基本能夠滿足數(shù)字電子技術(shù)實驗教學的要求，EDA技術(shù)的應(yīng)用，對虛擬實驗的內(nèi)容進行了豐富，使得操作中的電子模擬實驗得以實現(xiàn)[7]。具體來講，EDA技術(shù)下的實驗框架應(yīng)該包含兩個方面的內(nèi)容：一是虛擬數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺，包括實驗仿真功能模塊和虛擬實驗平臺模塊，前者是以EDA技術(shù)為基礎(chǔ)的學習型平臺，后者則能夠針對實驗平臺的各種信息進行管理，對平臺功能進行評估；二是虛擬數(shù)字電子技術(shù)模塊構(gòu)建，實驗平臺仿真功能應(yīng)該包含的內(nèi)容有幾個，如基礎(chǔ)教育、信息采集、虛擬實驗和實驗結(jié)果處理。對于虛擬數(shù)字電子技術(shù)而言，基礎(chǔ)學習包含了EDA工具、理論知識儲備、軟件編程語言學習以及實驗儀器使用說明四個不同的元素，在局域網(wǎng)內(nèi)，就可以下載完整的數(shù)字試驗設(shè)計案例，通過對案例的分析，能夠得到較為詳細的設(shè)計思路，促進技術(shù)水平的提高。管理模塊同樣包含四個組成部分，分別是項目審批、內(nèi)容發(fā)布、信息整理和進度跟蹤[8]。

5 數(shù)字化電子實驗中的EDA技術(shù)的具體應(yīng)用

EDA技術(shù)支撐下，數(shù)字化電子實驗大致可以分為設(shè)計型、驗證型和創(chuàng)新型三種不同類型，與傳統(tǒng)實驗相比，基于EDA技術(shù)的數(shù)字化電子實驗教學有著更加清晰的思路，可以對實驗流程進行簡化，避免重復工作。將EDA技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化電子實驗中，有著非常明顯的優(yōu)勢：一是能夠?qū)W生的實踐操作能力進行強化，通過實驗教學，幫助學生掌握EDA技術(shù)的原理和精髓，使得學生可以運用EDA技術(shù)完成系統(tǒng)的設(shè)計創(chuàng)新，實驗環(huán)節(jié)較短的開發(fā)周期也使得設(shè)計電路的調(diào)整相對簡單，在實驗過程中，學生能夠樹立對于學習的信息，激發(fā)興趣，并在興趣的引導下開展實踐，有助于其思維能力的培養(yǎng)和實踐能力的強化；二是可以提升實驗的可靠性。EDA技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)?shù)字化電子實驗的模式和方法進行創(chuàng)新，打破束縛，提升實驗可靠性，使得實驗的價值能夠得到有效發(fā)揮。另外，EDA技術(shù)的應(yīng)用，還可以對電路設(shè)計進行更加清晰直觀的反映，幫助學生及時找出設(shè)計中存在的不足和問題，提升實驗效率和準確性。例如，在實驗過程中，受延時因素影響，各級門電路容易發(fā)生冒煙現(xiàn)象，與正常信號中產(chǎn)生尖脈沖，傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ讲⒉荒芗皶r發(fā)現(xiàn)，EDA技術(shù)支持下則能夠?qū)⒃搯栴}直觀反映出來，結(jié)合仿真分析來對問題進行解決；三是保證實驗設(shè)計的開放性。EDA仿真的應(yīng)用，突破了時間與空間的束縛，對于課堂時間和實驗設(shè)備并沒有過多要求，與傳統(tǒng)實驗相比，EDA技術(shù)支持下的數(shù)字化電子實驗主要是以軟件平臺為依托開展實驗和設(shè)計，在設(shè)計完成后可以直接下載文件，也可以就系統(tǒng)性能進行仿真測試，這樣的形式提高了實驗的高效性和靈活性[9]。在EDA仿真環(huán)節(jié)，學生能夠?qū)?shù)進行優(yōu)化，縮短實驗仿真周期，促進教學效率與質(zhì)量的提高；四是可以提升實驗效率。數(shù)字化電子實驗中，存在一些相當復雜的實驗，學生在實驗過程中可能會因為操作不合理，難以完成對實驗結(jié)果的觀察分析。EDA技術(shù)的應(yīng)用，對實驗過程進行了簡化，使得實驗操作變得更加簡單，通過調(diào)整實驗條件的方式，也可以同時實現(xiàn)多個實驗方案的對比分析，有助于實驗效率的提高。

這里就EDA技術(shù)在數(shù)字化電子實驗中具體應(yīng)用進行簡單分析。

5.1 全加器實驗

全加器實驗屬于驗證型實驗，主要目的是為了更好地了解和掌握Quartus Ⅱ軟件以及EDA技術(shù)的實現(xiàn)流程，通過原理圖編輯輸入的方式來判斷電路功能是否可以順利實現(xiàn)。在實驗操作環(huán)節(jié)，基本步驟為原理圖編輯輸入→編譯→功能仿真→時序仿真→引腳配置→編程下載。以四位全加器實驗為例，實驗教學的基本目的，是加深學生對于全加器工作原理和電路構(gòu)成的理解，幫助其更好地掌握EDA技術(shù)，同時確保學生能夠熟悉Quartus Ⅱ原理圖輸入方法，完成簡單組合電路設(shè)計。一個四位全加器可以由四個一位全加器構(gòu)成，加法器間可以采用串行的方式實現(xiàn)進位，簡單來講，就是將低位加法器進位輸出cout與相鄰高位加法器最低進位輸入cin連接在一起。一位全加器通常包含兩個半加器和一個或門，在實驗中可以根據(jù)半加器電路原理圖，有護著真值表，得到一位全加器的VHDL描述。具體實驗步驟如下：

1)建立文件夾，將其重命名為adder；

2)構(gòu)建原理圖文件工程與仿真，依照相應(yīng)流程完成原理圖的編輯和輸入；

3)將設(shè)計項目設(shè)置為可以調(diào)用的元件。打開半加器原理圖文件，選擇相應(yīng)菜單，將電路圖變成一個元件符號存盤，方便在高層次設(shè)計中直接調(diào)用。

4)設(shè)計全加器頂層文件，并將其設(shè)定為可調(diào)用元件。對于四位全加器，定測設(shè)計需要將全加器設(shè)置成可以調(diào)用的底層元件，在原理圖文件打開的情況下，依次選擇對應(yīng)菜單（File→Create/Update→Create Symbol for current File），將當前的電路圖轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€元件符號進行存盤，同樣必須保證其在高層次設(shè)計中能夠直接調(diào)用。

5.2 數(shù)字電子時鐘實驗

數(shù)字電子時鐘實驗屬于設(shè)計型實驗，根據(jù)不同的需求，可以得到不同形式的電路設(shè)計方案，例如，在設(shè)計中，可以應(yīng)用原理圖編輯輸入法，可以選擇74HC161、74HC163等芯片進行設(shè)計，也可以運用VerilogHDL或者VHDL，通過編寫代碼的方式進行設(shè)計。設(shè)計環(huán)節(jié)，教師需要針對板級測試中的相關(guān)參數(shù)進行改寫，使得學生能夠認識到，EDA技術(shù)支持下的數(shù)字化電子實驗有著較高的自由性，可以滿足多樣化需求，推動電子設(shè)計的自動化和智能化[10]。

6 總結(jié)

總之，在數(shù)字化電子技術(shù)實驗中，應(yīng)用EDA技術(shù)，能夠促進實驗效果的提高，對實驗流程進行簡化，避免重復工作，同時也可以使得學生更好地感受模擬實驗的效果，強化其對于實驗過程的認知，學生可以通過實驗將自身掌握的理論知識與實踐結(jié)合起來，以理論輔助實踐，以實踐檢驗理論，理解電路基本原理，從而提升對于學習的積極性和能動性，推動學習成效的提高。

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[7]胡燦.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的運用[J].通訊世界,2016(1):213.

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[9]鐘先芳.數(shù)字電子技術(shù)實驗中的EDA技術(shù)分析[J].科技資訊,2015(29):12.

[10]王彩鳳,李衛(wèi)兵,杜玉杰,等.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗科學與技術(shù),2011,9(1):4-6.