¿Cuál es la importancia de la propiedad intelectual en la aplicación y el desarrollo de la tecnología EDA?

Desarrollo y aplicación de la tecnología EDA

1 Introducción ---- La sociedad humana ha entrado en una sociedad de la información altamente desarrollada, y el desarrollo de la sociedad de la información es inseparable del avance de la tecnología electrónica. productos. Si bien el rendimiento y la complejidad de los productos electrónicos modernos han mejorado, sus precios han seguido una tendencia a la baja y el ritmo de actualización de los productos se ha vuelto cada vez más rápido. La razón principal de este progreso es el desarrollo de la tecnología de fabricación y la tecnología de diseño electrónico. . La primera está representada por la tecnología de micromecanizado, que ahora ha progresado hasta la etapa submicrónica profunda y puede integrar decenas de millones de transistores en un chip de varios centímetros cuadrados; el núcleo de la segunda es la tecnología EDA. EDA se refiere a un paquete de software CAD electrónico general que utiliza una computadora como plataforma de trabajo e integra los últimos avances en tecnología electrónica aplicada, tecnología informática y tecnología inteligente. Puede ayudar principalmente en tres aspectos del trabajo de diseño: diseño de circuitos integrados y circuitos electrónicos. diseño y diseño de PCB. Sin el apoyo de la tecnología EDA, es inimaginable completar el diseño y la fabricación de los circuitos integrados de gran escala mencionados anteriormente. A su vez, el avance continuo de la tecnología de producción y fabricación ciertamente planteará nuevos requisitos para la tecnología EDA.

2 Desarrollo de la tecnología EDA ---- Si analizamos el desarrollo de la tecnología de diseño electrónico en los últimos 30 años, la tecnología EDA se puede dividir en tres etapas. ---- La década de 1970 fue la etapa CAD. En esta etapa, la gente comenzó a usar computadoras para ayudar en la edición del diseño de circuitos integrados y el diseño y enrutamiento de PCB, reemplazando las operaciones manuales y dando lugar al concepto de diseño asistido por computadora. ----La década de 1980 fue la etapa CAE. En comparación con CAD, además de la función de dibujo gráfico puro, se agregaron el diseño de la función del circuito y el diseño estructural, y los dos se combinaron a través de tablas de red de conexión eléctrica para realizar el diseño de ingeniería. El concepto de ingeniería asistida por ordenador. Las funciones principales de CAE son: entrada esquemática, simulación lógica, análisis de circuitos, diseño y enrutamiento automático y postanálisis de PCB. ----La década de 1990 fue la etapa de la ESDA. Aunque la tecnología CAD/CAE ha logrado un gran éxito, no ha liberado completamente a las personas del pesado trabajo de diseño. En todo el proceso de diseño, el grado de automatización e inteligencia aún no es alto. Varias interfaces de software EDA son muy diferentes, difíciles de aprender y usar y son incompatibles entre sí, lo que afecta directamente la conexión entre los enlaces de diseño. Basándose en las deficiencias anteriores, la gente comenzó a buscar la automatización de todo el proceso de diseño. Esto es ESDA, o automatización del diseño de sistemas electrónicos.

3 Características básicas de la tecnología ESDA----ESDA representa la última dirección de desarrollo de la tecnología de diseño electrónico actual. Sus características básicas son: los diseñadores siguen el método de diseño "de arriba hacia abajo" para analizar todo el sistema. Está diseñado y dividido funcionalmente. Los circuitos clave del sistema se implementan con uno o varios circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). Luego se utiliza el lenguaje de descripción de hardware (HDL) para completar el diseño a nivel de comportamiento del sistema. El dispositivo de destino final se genera a través de un sintetizador y un adaptador. Este método de diseño se denomina método de diseño electrónico de alto nivel y el proceso específico se presentará en profundidad en la Sección 4.2. A continuación se presentan varios conceptos relacionados con las características básicas de ESDA. ---- 3.1 Método de diseño "de arriba hacia abajo" ---- Hace 10 años, la idea básica del diseño electrónico era elegir circuitos integrados estándar para construir un nuevo sistema "de abajo hacia arriba". Es como construir una pirámide ladrillo a ladrillo, que no sólo es ineficiente y costosa, sino también propensa a errores. ---- El diseño de alto nivel nos proporciona un nuevo método de diseño "de arriba hacia abajo". Este método de diseño comienza con el diseño del sistema y luego realiza la división del diagrama de bloques funcional y el diseño estructural. La simulación y la corrección de errores se realizan a nivel de diagrama de bloques, y el comportamiento del sistema de alto nivel se describe utilizando un lenguaje de descripción de hardware y se verifica a nivel del sistema. Luego, utilice herramientas de optimización integrales para generar una lista de red de circuitos de puerta específicos, y su nivel de implementación física correspondiente puede ser una placa de circuito impreso o un circuito integrado de aplicación específica.

Dado que el proceso principal de simulación y depuración del diseño se completa a un alto nivel, esto no sólo ayuda a la detección temprana de errores de diseño estructural y evita el desperdicio de trabajo de diseño, sino que también reduce la carga de trabajo de la simulación de funciones lógicas y mejora el tiempo de diseño. tasa. ---- 3.2 Diseño ASIC ---- La complejidad de los productos electrónicos modernos aumenta día a día. Un sistema electrónico puede estar compuesto por decenas de miles de circuitos integrados de tamaño pequeño y mediano, lo que genera problemas de gran tamaño. , alto consumo de energía y poca confiabilidad, una forma efectiva de resolver este problema es utilizar chips ASIC (circuitos integrados de aplicaciones específicas) para el diseño. Según diferentes métodos de diseño, ASIC se puede dividir en: ASIC totalmente personalizado, ASIC semipersonalizado y ASIC programable (también llamado dispositivo lógico programable). ---- Al diseñar un chip ASIC totalmente personalizado, el diseñador debe definir la geometría y las reglas de proceso de todos los transistores en el chip y, finalmente, enviar los resultados del diseño al fabricante de circuitos integrados para la fabricación de la máscara. La ventaja es que el chip puede lograr un rendimiento óptimo, es decir, una alta utilización del área, alta velocidad y bajo consumo de energía. Las desventajas son: ciclo de desarrollo largo, alto costo y solo adecuado para el desarrollo de productos de gran volumen. ---- Los métodos de diseño de los chips ASIC semipersonalizados son diferentes y se dividen en el método de diseño de matriz de puertas y el método de diseño de celdas estándar. Ambos métodos son métodos de diseño restrictivos y su objetivo principal es simplificar el diseño a expensas del chip. . Mejorar el tiempo de desarrollo a expensas del rendimiento. ---- La diferencia entre los chips lógicos programables y la máscara ASIC mencionada anteriormente es que una vez que los diseñadores completan el diseño, pueden quemar sus propios chips en el laboratorio sin la participación de los fabricantes de circuitos integrados, lo que acorta en gran medida el ciclo de desarrollo. ---- Desde la década de 1970, los dispositivos lógicos programables han pasado por varias etapas de desarrollo: PAL, GAL, CPLD y FPGA. Entre ellos, CPLD/FPGA son dispositivos lógicos programables de alta densidad, y el nivel de integración actual ha alcanzado los 2 millones. puertas/chip, combina las ventajas de la alta integración de la máscara ASIC con la conveniencia de diseño y producción de dispositivos lógicos programables. Es especialmente adecuado para el desarrollo de muestras o el desarrollo de productos de lotes pequeños, para que los productos puedan lanzarse lo más rápido posible. Al mismo tiempo, cuando el mercado se expande, se puede implementar fácilmente mediante máscara ASIC, por lo que el riesgo de desarrollo se reduce considerablemente. ----Los chips ASIC mencionados anteriormente, especialmente los dispositivos CPLD/FPGA, se han convertido en portadores de implementación de métodos modernos de diseño electrónico de alto nivel. ---- 3.3 Lenguaje de descripción de hardware ---- El lenguaje de descripción de hardware (HDL-Lenguaje de descripción de hardware) es un lenguaje informático utilizado para diseñar sistemas electrónicos de hardware. Utiliza programación de software para describir las funciones y circuitos lógicos de los sistemas electrónicos. El método tradicional de descripción a nivel de puerta es más adecuado para el diseño de sistemas a gran escala. Por ejemplo, un sumador de 32 bits necesita ingresar de 500 a 1000 puertas usando software de entrada gráfica, pero usando el lenguaje VHDL solo necesita escribir una línea A=B C, y el lenguaje VHDL es altamente legible y fácil de modificar y encontrar errores. Los primeros lenguajes de descripción de hardware, como ABEL-HDL y AHDL, fueron desarrollados por diferentes proveedores de EDA y eran incompatibles entre sí. No admitían el diseño multinivel y la traducción entre niveles debía completarse manualmente. Para superar las deficiencias anteriores, el Departamento de Defensa de EE. UU. lanzó oficialmente el lenguaje VHDL (lenguaje de descripción de hardware IC de muy alta velocidad) en 1985. En 1987, el IEEE adoptó VHDL como estándar de lenguaje de descripción de hardware (IEEE STD-1076 ). ----VHDL es un lenguaje de descripción de hardware integral, que incluye niveles de diseño de nivel de comportamiento del sistema, nivel de transferencia de registro y nivel de puerta lógica. Admite descripciones mixtas de estructura, flujo de datos y comportamiento. Por lo tanto, VHDL casi cubre las funciones de varios anteriores. En lenguajes de descripción de hardware, todo el proceso de diseño de circuitos de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba se puede completar utilizando VHDL.

Además, VHDL también tiene las siguientes ventajas: la amplia gama de capacidades de descripción de VHDL lo convierte en el núcleo del diseño de alto nivel, lo que aumenta el enfoque del trabajo de los diseñadores en la implementación y depuración de funciones del sistema, y ​​solo requiere menos energía para las tareas físicas. implementación. VHDL puede utilizar descripciones de código claras y concisas para diseñar una lógica de control compleja, que es flexible y conveniente. También facilita la comunicación, el almacenamiento y la reutilización de los resultados del diseño. El diseño de VHDL no depende de dispositivos específicos, lo que facilita la conversión de procesos. VHDL es un lenguaje estándar compatible con muchos fabricantes de EDA, por lo que tiene buena portabilidad. ---- 3.4 Marco del sistema ---- El marco del sistema EDA (Framework) es un conjunto de especificaciones para configurar y utilizar paquetes de software EDA. Actualmente, los principales sistemas EDA han establecido estructuras marco, como el marco de diseño de Cadence y Mentor. Falcon Framework, etc., estas estructuras marco cumplen con los estándares técnicos unificados establecidos por la organización internacional CFI (CAD Framework Initiative). Framework puede optimizar y combinar software de herramientas de diferentes proveedores de EDA e integrarlo en un entorno unificado que sea fácil de administrar. También admite la transmisión e integración de información entre tareas y diseñadores durante todo el proceso de desarrollo del producto. *Compartir, esta es la base. para ingeniería concurrente y métodos de diseño de arriba hacia abajo.

4 Métodos básicos de diseño de la tecnología EDA ---- Cada avance en la tecnología EDA ha provocado un salto en el nivel de diseño. ---- El diseño a nivel físico se refiere principalmente al diseño de circuitos integrados, que generalmente lo completan los fabricantes de semiconductores y no tiene mucha importancia para los ingenieros electrónicos. Por lo tanto, este artículo se centra en el diseño a nivel de circuito y el diseño a nivel de sistema. ---- 4.1 Diseño a nivel de circuito ---- Después de aceptar la tarea de diseño del sistema, los ingenieros electrónicos primero determinan el plan de diseño, seleccionan los componentes apropiados que pueden realizar el plan y luego diseñan el diagrama esquemático del circuito basado en los componentes específicos. Luego se realiza la primera simulación, que incluye simulación lógica de circuitos digitales, análisis de fallas, análisis de CA y CC de circuitos analógicos y análisis de transitorios. Cuando se simula el sistema, debe estar respaldado por una biblioteca de modelos de componentes. Las formas de onda de entrada y salida simuladas en la computadora reemplazan la fuente de señal y el osciloscopio en la depuración del circuito real. Esta vez la simulación tiene como objetivo principal probar la corrección funcional de la solución de diseño. ----Después de pasar la simulación, la placa PCB se diseñará y enrutará automáticamente según la tabla de red de conexión eléctrica generada a partir del diagrama esquemático. Antes de fabricar la placa PCB, también se puede realizar un análisis posterior, que incluye análisis térmico, análisis de ruido e interferencias, análisis de compatibilidad electromagnética, análisis de confiabilidad, etc., y los parámetros resultantes después del análisis se pueden volver a marcar en el diagrama del circuito para la segunda simulación, también conocida como post-simulación, esta simulación es principalmente para probar la viabilidad de la placa PCB en el entorno de trabajo real. ---- Se puede ver que la tecnología EDA a nivel de circuito permite a los ingenieros electrónicos comprender completamente las características funcionales y físicas del sistema antes de que se produzca el sistema electrónico real, eliminando así los defectos que ocurren durante el proceso de desarrollo en la etapa de diseño. No solo acorta el tiempo de desarrollo, sino que también reduce el costo de desarrollo. ---- 4.2 Diseño a nivel de sistema ---- Desde la década de 1990, el desarrollo de productos de información electrónica ha mostrado dos características obvias: en primer lugar, la complejidad de los productos se ha profundizado y, en segundo lugar, el tiempo de comercialización del producto es ajustado. Sin embargo, el diseño a nivel de circuito es esencialmente un diseño de un solo nivel basado en una descripción a nivel de puerta. Todo el trabajo de diseño (incluida la entrada de diseño, la simulación y el análisis, la modificación del diseño, etc.) se realiza en el nivel de puertas lógicas básicas. este diseño El método no puede adaptarse a la nueva situación, por lo que se introduce un método de diseño electrónico de alto nivel, también llamado método de diseño a nivel de sistema.

---- El diseño de alto nivel es un diseño "basado en conceptos". Los diseñadores no necesitan describir el circuito a través de esquemas a nivel de puerta, sino realizar descripciones funcionales basadas en los objetivos del diseño, ya que están libres de las restricciones del circuito. detalles, los diseñadores pueden centrarse en centrarse en conceptos y soluciones creativos. Una vez que estos conceptos se ingresan en la computadora en forma de descripciones de alto nivel, el sistema EDA puede completar automáticamente todo el diseño de manera basada en reglas. De esta manera, los nuevos conceptos pueden convertirse rápida y eficazmente en productos, acortando considerablemente el ciclo de desarrollo del producto. No solo eso, el diseño de alto nivel solo define las características de comportamiento del sistema y no involucra el proceso de implementación. Con el soporte de la biblioteca integral del fabricante, la descripción de alto nivel se puede convertir en una lista de redes optimizada para un determinado proceso. Herramientas integrales de optimización. La transformación del proceso se vuelve fácil. El proceso de diseño específico se muestra en la Figura 3. ---- Los pasos de diseño de alto nivel son los siguientes: ---- Paso 1: ---- Divida el sistema según el método de diseño "de arriba hacia abajo". ---- Paso 2: ---- Ingrese el código VHDL, que es el método de entrada más común en el diseño de alto nivel. Además, también se pueden utilizar métodos gráficos de entrada (diagramas de bloques, diagramas de estados, etc.), que tienen la ventaja de ser intuitivos y fáciles de entender. ---- Paso 3: ---- Compile la entrada de diseño anterior en un archivo VHDL estándar. Para diseños a gran escala, también se requiere simulación funcional a nivel de código, principalmente para verificar la exactitud del diseño funcional del sistema, porque para diseños a gran escala, la síntesis y adaptación requieren varias horas. La simulación del código fuente antes de la síntesis puede reducir en gran medida el tiempo. Costo de diseño. El número y tiempo de repeticiones; generalmente, este paso de simulación se puede omitir. ---- Paso 4: ---- Utilice el sintetizador para optimizar exhaustivamente el código fuente VHDL y generar un archivo netlist de descripción a nivel de puerta. Este es un paso clave para convertir descripciones de alto nivel en circuitos de hardware. ---- Se lleva a cabo una optimización integral para una determinada serie de productos del proveedor de chips ASIC, por lo que el proceso integral solo se puede completar con el soporte de la biblioteca completa del fabricante correspondiente. Después de la síntesis, el archivo netlist generado se puede utilizar para realizar una simulación de tiempo antes de la adaptación. El proceso de simulación no involucra las características de hardware del dispositivo específico y es relativamente complicado. Para el diseño general, este paso de simulación también se puede omitir. ---- Paso 5: ---- Utilice el adaptador para realizar operaciones de mapeo lógico en el archivo netlist sintetizado para un dispositivo de destino específico, incluida la configuración del dispositivo subyacente, la segmentación lógica, la optimización lógica y la ubicación y enrutamiento. Una vez completada la adaptación, se generan una serie de resultados de diseño: ①Informe de adaptación, incluida la utilización de recursos internos del chip, descripción de la ecuación booleana del diseño, etc. ②Modelo de simulación después de la adaptación; Basado en el modelo de simulación adaptado, se puede realizar una simulación de sincronización adaptada. Debido a que se han obtenido las características reales del hardware del dispositivo (como las características de retardo), los resultados de la simulación pueden predecir con mayor precisión el rendimiento real de los chips futuros. Si los resultados de la simulación no cumplen con los requisitos de diseño, debe modificar el código fuente VHDL o seleccionar dispositivos de diferentes velocidades y calidad hasta que se cumplan los requisitos de diseño. ---- Paso 6: ---- Cargue el archivo de programación del dispositivo generado por el adaptador en el chip de destino FPGA o CPLD a través del programador o cable de descarga. Si se trata de un desarrollo de producto de gran volumen, se puede implementar fácilmente en forma ASIC reemplazando la biblioteca completa del fabricante correspondiente.

5 Conclusión---- La tecnología EDA es una revolución en el campo del diseño electrónico. Actualmente se encuentra en una etapa de rápido desarrollo. Cada año se lanzan nuevas herramientas EDA. Mi país se ha quedado atrás durante mucho tiempo con respecto a los países desarrollados, por lo que la mayoría de los ingenieros electrónicos deberían dominar esta tecnología avanzada lo antes posible. Esto no es solo una necesidad para mejorar la eficiencia del diseño, sino también una necesidad para la industria electrónica de nuestro país. sobrevivir, competir y desarrollarse en el mercado mundial.