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1、1、电子系统设计基础1.1 电子设计概述1.2 现代电子设计的特点1.3 电子系统的设计步骤1.4 电子系统设计方法1.5 系统设计与系统仿真技术1.6 板卡设计与板卡仿真技术1.7 芯片设计与仿真技术1.8 电子系统综合设计概述1.9 专用数字集成电路综合设计概述1.1 电子设计概述 电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，它们都是能够完成某种任务的电子设备。通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路,实际应用中的电子系统由若干单元电路构成。一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传输功能。图1.1.1为电子系统
2、基本组成方框图。图1.1.1 电子系统方框图 从系统的角度看,电子系统是能按特定的控制信号，执行所设想的功能，由一组元件(通常是电子元件)联成的一个整体。这样，很多东西，譬如从单级放大器到最复杂的计算机都可以称为一个电子系统。我们可以将很多元件集成为一个功能单元，再用若干个功能单元去描述一个系统。在认识、理解与设计电子系统的过程中，这样的功能单元常常不用给出详细的内部结构，而只需从输入输出特性去描述，这就需要用到黑箱分析法。黑箱辨识方法是系统科学中的主要方法之一。人们在从事科学研究时，常常会遇到一些需要认识或控制的系统(称为客体)。由于种种条件限制，这些客体的内部结构和机理尚不能或不便被直接观
3、察到，仿若一个不透明的密封箱子，将这种客体称为黑箱(B1ack Box)是极其形象的。所谓黑箱辨识方法，就是通过考察黑箱的输入、输出及其动态过程，而不是通过直接考察其内部结构，来定量地研究黑箱的功能特性、行为方式，从而探索其内部结构和机理。1.2 现代电子设计的特点 人类要改造自然，就要进行设计。把预定的目标经过一系列规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息，这就是设计。然后或通过实践转化为某项工程，或通过制造成为产品。产品设计过程从本质上是一个创新过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品的过程。从工程的角度来看，设计这个词有两种概念。 广义的概念指的是发展过程的安排，包括发展的方向、
4、程序、细节及达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括电子产品的设计即属此种概念。上世纪60年代以来，人们由工程技术领域总结出来的现代设计方法对电子设计工作起到了极大的推动作用。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般，具体到抽象，感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去长期以来难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括电子产品的设计工作产生了质的飞跃。 现代电子设计主要有下
5、列特点： 1. 系统性 2. 社会性 3. 创造性 4. 最优化 5. 动态化 6. 人性化 7. 智能化 8. EDA化 1.3 电子系统的设计步骤 电子系统的设计方法，没有一成不变的规定的步骤，它往往与设计者的经验、兴趣、爱好密切相关，为了便于理解，这里把总的设计过程归纳为以下五个技术环节,一般的设计流程如图1.2.1。 1.4 电子系统设计方法 在传统与现代电子系统设计中有如下几中常用的设计方法： 自底向上设计方法：传统的系统设计采用自底向上的设计方法。这种设计方法采用“分而治之”的思想，在系统功能划分完成后，利用所选择的元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后将各功能模
6、块按搭积木的方式连接起来构成更大的功能模块，直到构成整个系统，完成系统的硬件设计。这个过程从系统的最底层开始设计，直至完成顶层设计，因此将这种设计方法称为自底向上的设计方法。用自底向上设计方法进行系统设计时，整个系统的功能验证要在所有底层模块设计完成之后才能进行，一旦不满足设计要求，所有底层模块可能需要重新设计，延长了设计时间。 自顶向下设计方法：目前VLSI系统设计中主要采用的方法是自顶向下设计方法，这种设计方法的主要特征是采用综合技术和硬件描述语言，让设计人员用正向的思维方式重点考虑求解的目标问题。这种采用概念和规则驱动的设计思想从高层次的系统级入手，从最抽象的行为描述开始把设计的主要精力
7、放在系统的构成、功能、验证直至底层的设计上，从而实现设计、测试、工艺的一体化。当前EDA工具及算法把逻辑综合和物理设计过程结合起来的方式，有高层工具的前向预测(lookahead)能力，较好地支持了自顶向下设计方法在电子系统设计中的应用。层次式设计方法：它的基本策略是将一个复杂系统按功能分解成可以独立设计的子系统，子系统设计完成后，将各子系统拼接在一起完成整个系统的设计。一个复杂的系统分解成子系统进行设计可大大降低设计复杂度。由于各子系统可以单独设计，因此具有局部性，即各子系统的设计与修改只影响子系统本身，而不会影响其它子系统。利用层次性，将一个系统划分成若干子系统，然后子系统可以再分解成更小
8、的子系统，重复这一过程，直至子系统的复杂性达到了在细节上可以理解的适当的程度。模块化是实现层次式设计方法的重要技术途径，模块化是将一个系统划分成一系列的子模块，对这些子模块的功能和物理界面明确地加以定义，模块化可以帮助设计人员阐明或明确解决问题的方法，还可以在模块建立时检查其属性的正确性，因而使系统设计更加简单明了。将一个系统的设计划分成一系列已定义的模块还有助于进行集体间共同设计，使设计工作能够并行开展，缩短设计时间。嵌入式设计方法：现代电子系统的规模越来越复杂，而产品的上市时间(time to market)却要求越来越短，即使采用自顶向下设计方法和更好的计算机辅助设计技术，对于一个百万门
9、级规模的应用电子系统，完全从零开始自主设计是难以满足上市时间要求的。嵌入式设计方法在这种背景下应运而生。嵌入式设计方法除继续采用自顶向下设计方法和计算机综合技术外，它的最主要的特点是大量知识产权(Intellectual Property-IP)模块的复用，这种模块可以是RAM、CPU、及数字信号处理器等。在系统设计中引入IP模块，使得设计者可以只设计实现系统其它功能的部分以及与IP模块的互连部分，从而简化设计，缩短设计时间。 一个复杂的系统通常既包含有硬件，又有软件，因此需要考虑哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现，这就是硬件/软件协同设计的问题。硬件/软件协同设计要求硬件和软件同时进行设
10、计，并在设计的各个阶段进行模拟验证，减少设计的反复，缩短设计时间。硬件/软件协同是将一个嵌入式系统描述划分为硬件和软件模块以满足系统的功耗、面积和速度等约束的过程。嵌入式系统的规模和复杂度逐渐增长,其发展的另一趋势是系统中软件实现功能增加，并用软件区分不同的产品，增加灵活性、快速响应标准的改变，降低升级费用和缩短产品上市时间。 基于IP的系统芯片(S0C)的设计：为了解决当前集成电路的设计能力落后于加工技术的发展与集成电路行业的产品更新换代周期短等问题，基于IP的集成电路设计方法应运而生。IP的基本定义是知识产权模块。对于集成电路设计师来说，IP则是可以完成特定电路功能的模块，在设计电路时可以
11、将IP看作黑匣子，只需保证IP模块与外部电路的接口，无需关心其内部操作。这样在设计芯片时所处理的是一个个的模块。而不是单个的门电路，可以大幅度地降低电路设计的工作量，加快芯片的设计流程。利用IP还可以使设计师不必了解设计芯片所需要的所有技术，降低了芯片设计的技术难度。利用IP进行设计的另一好处是消除了不必要的重复劳动。IP与工业产品不同，复制IP是不需要花费任何代价的，一旦完成了IP的设计，使用的次数越多，则分摊到每个芯片的原始投资越少，芯片的设计费用也因此会降低。 SOC(System on a Chip)系统芯片有各种不同的定义方式。具体到芯片功能来说，SOC芯片意味着在单个芯片上，完成以
12、前需要一个或多个印刷线路板才能够完成的电路功能。SOC芯片意味着在单芯片上集成一个完整的数据处理系统，其结构是比较复杂的。SOC芯片的运行需要强大的软件支持，而且芯片的功能会随支持软件的不同而变化，因此在设计芯片的同时需要进行软件编制工作，并非以往单纯的电路设计。这一特点在增强芯片功能及适用范围的同时增加了芯片的设计与验证难度，在芯片设计的初期需要仔细地进行功能划分，确定芯片的运算结构，并评估系统的性能与代价。SOC芯片的出现在芯片的优化设计方面也提出了很大的挑战。芯片的设计需要系统设计人员与软件设计人员的深入参与，在SOC芯片的设计流程中，一般都结合了从顶向下和从底向上设计的特点，与传统的芯
13、片设计相比SOC芯片设计有以下几项主要特点： 芯片的软件设计与硬件设计同步进行； 各模块的综合与验证同步进行； 在综合阶段考虑芯片的布局布线； 只在没有可利用的硬模块或软宏模块的情况下重新设计模块。 电路设计中的成本控制方法：优秀的电路实现方案应该是简洁、可靠的。要以最少的社会劳动消耗获得最大的劳动成果。这里所说的社会劳动，包括在产品设计、产品生产、产品维护以及元器件的生产中所付出的劳动。为了控制产品成本，常常采用目标价格反算法，也就是先根据市场调查对相应的技术指标制定目标价格，然后在设计实施中找出影响产品经济指标的关键因素，并采取针对性较强的措施。1.5 系统设计与系统仿真技术 对于设计开发
14、整机电子产品的工程师来说，新产品的开发总是从系统设计入手。系统设计的主体工作是将设计任务要求转换成明确的、可实现的功能和技术指标要求，确定可行的技术方案，在系统一级描述系统的功能和技术指标要求。一般通过系统功能的模块划分来落实系统功能和技术指标的分配，同时确定各功能模块之间的接口关系。它运用框图与层次的方法自顶向下进行设计。系统设计通常把系统功能逐步细分，然后从器件、电路和工艺等方面确定技术方案。随着系统变得复杂和庞大，工程师在系统设计时应该使用EDA工具。多种系统级设计EDA工具的出现为系统设计师们提供了优越的环境和有力的保障。 自上而下的正向设计是综合和优化的过程，以概念和设想为驱动，经过
15、反复的综合和优化，从而给出可行的设计方案及合适的性能指标。借助EDA工具，采用“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生产周期的诸多方面,包括质量成本、开发周期等因素。 系统设计与仿真包括这样几个步骤：第一步，从系统方案设计入手，在顶层进行系统功能划分和结构设计；第二步，用VHDL、Verilog-HDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述；第三步，通过编译器形成标准的VHDL文件，并在系统级验证系统功能的设计正确性；第四步，用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网络表,这是将高层次的描述转化为硬件电路的关键；第五步，将利用产生的网络表进行适配前的时序仿真;最后系统的物理实现级，它可以是CPLD、FPGA或ASIC。 广义的系统仿真（System Simulation），它是通过系统模型的实验去研究一个已经存在的或正在设计中的系统的过程。是根据被研究的真实系统数学模型，结合所用的计算机建立仿真模型，然后，依据仿真模型在计算机上计算、分析、研究，获得真实系统的定量关系，加深对真实系统的认识和理解，为系统设计、调试或管理提供所需的信息、数据或资料。 系统仿真技术是在数学模型基础上，利用计算机进行实验研究的一种方法。是建立在系统科学、系统辨识、控制理论与计算机技术上的一门综合性很强的实验科学技术，是分析、综合各类系统的一种研究方法和有力工具。
