1 现代电子系统的设计方法

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1、1.1 现代电子系统的设计方法1.1.1 概述无论是现代高精尖电子设备如雷达、软件无线电电台等，还是为我们所熟悉的微机、手 机、VCD等现代电子装置，其核心构成都是数字电子系统。随着微电子技术和计算机技术 的发展，集成电路不断更新换代，出现了现场可编程逻辑器件，数字电子系统的设计方法和 设计手段也发生了很大的变化。特别是进入20世纪90年代以后，EDA（电子设计自动化）技术的发展和普及给电子系统 的设计带来了革命性的变化，并已渗透到电子系统设计的各个领域。传统的数字系统设计只能对电路板进行设计，把所需的具有固定功能的标准集成电路像 积木块一样堆积于电路板上，通过设计电路板来实现系统功能。利用E

2、DA工具，采用可编 程器件，通过设计芯片来实现系统功能，这样不仅可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统 功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度， 从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率；同时基于芯片的设计可以减少芯片的数 量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。这种基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。现在，只要拥有一台计算 机、一套相应的 EDA 软件和空白的可编程逻辑器件芯片，在实验室里就可以完成数字系统 的设计和生产。当今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA设计工具。现在人们可以把数以亿计的晶体管、几百万门

3、的电路集成在一个芯片上。半导体集成电 路也由早期的单元集成、部件电路集成发展到整机电路集成和系统电路集成。电子系统的设 计方法也由过去的那种集成电路厂家提供通用芯片，整机系统用户采用这些芯片组成电子系 统的“Bottom-up，（自底向上）设计方法改变为一种新的“Top-down”自顶向下）设计方法。在这种新的设计方法中，由整机系统用户对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键 电路用一片或几片专用集成电路ASIC来实现，系统分解且这些专用集成电路是由系统和电路设计师亲自参与设计的，直至完成电路到芯片版图 的设计，再交由IC 工厂投片加工，或者用可编程ASIC（例如CPLD和FPGA）现场编

4、程实现。 图 1-1所示为电子系统的两种不同的设计步骤。单元设计 功能块划分 子系统设计 系统总成图 1-1 “自顶向下”（左图）与“自底向上”（右图）的设计1.1.2 ASIC 技术ASIC(Application Specific Integrated C直译为“专用集成电路”与通用集成电路 相比，它是面向专门用途的电路，以此区别于标准逻辑(St andard Logic)通用存储器、通用 微处理器等电路。ASIC是相对于通用集成电路而言的，两者并无明显界限。ASIC 的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。通用的、标准的集成电路已不能 完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。目前ASIC

5、在总的IC市场中的占有率已发展到 近1/3在整个逻辑电路市场中的占有率已超过一半。与通用集成电路相比，ASIC在构成 电子系统时具有以下几个方面的优越性：(1) 提高了产品的可靠性。用ASIC芯片进行系统集成后，外部连线减少，为调试和维 修带来极大的方便，系统可靠性明显提高。(2) 易于获得高性能。 ASIC 针对专门的用途而特别设计，它是系统设计、电路设计和 工艺设计的紧密结合，这种一体化的设计有利于得到前所未有的高性能系统。(3) 可增强产品的保密性和竞争力。电子产品中的ASIC芯片对用户来说相当于一个“黑 盒子”。rm J o(4) 在大批量应用时，可显著降低产品的综合成本。用ASIC来

6、设计和生产产品大幅度 减少了印刷电路板面积及其他元器件数量，降低了装配调试费用。(5) 提高了产品的工作速度。(6) 缩小了体积，减轻了重量，降低了功耗。ASIC, 分解 逻辑设计电路设计逻辑布线模拟可测性分才斤及故障模扌拟版图设计及模拟验证设计定型制作样片样片功能评价图1-2 ASIC 设计的一般流程ASIC按功能的不同可分为数字ASIC、模拟ASIC和微波ASIC ;按使用材料的不同可 分为硅ASIC和砷化镓ASIC。一般来说，数字、模拟ASIC主要采用硅材料，微波ASIC主 要采用砷化镓材料。砷化镓具有高速、抗辐射能力强、寄生电容小和工作温度范围宽等优点， 目前已在移动通信、卫星通信等方

7、面得到广泛应用。对硅材料ASIC，按制造工艺的不同还 可进一步将其分为M0S型、双极型和BiCMOS型。ASIC 的设计流程如图1-2所示，为了保证设计的正确性，对每一个设计层次都要进行 计算机模拟与验证。按照设计方法的不同，设计ASIC可分为全定制和半定制两类。全定制法是一种基于晶 体管级的设计方法，半定制法是一种约束性设计方法。约束的目的是简化设计、缩短设计周 期、提高芯片成品率。对于某些性能要求很高、批量较大的芯片，一般采用全定制法设计， 用全定制法设计时须采用最佳的随机逻辑网络，且每个单元都必须精心设计，另外还要精心 地布局布线，将芯片设计得最紧凑，以期实现速度快、面积利用率高、功耗低

8、等的最优性能。但是，很多产品的产量不大或者不允许设计时间过长，这时只能对芯片面积或性能作出 牺牲，并尽可能采用已有的、规则结构的版图。为了争取时间和市场，也可采用半定制法， 先用最短的时间设计出芯片，在占领市场的过程中再予以改进，进行二次开发。因此半定制 与全定制两种设计方式的优缺点是互补的，设计人员可根据不同的要求选择合适的设计方 法。20世纪80年代中期出现了复杂可编程逻辑器件。复杂可编程逻辑器件是ASIC的一个 重要分支，它是一种已完成了全部工艺制造，可直接从市场上购得的产品，用户只要对它编 程就可实现所需要的电路功能，所以称它为可编程ASIC。以上介绍的两类ASIC芯片都必 须到IC厂家去加工制造才能完成，而采用可编程逻辑器件，设计人员在实验室即可设计和 制造出芯片，而且可反复编程，修改错误，这就大大地方便了设计者。可编程逻辑器件发展到今天，其规模越来越大，功能越来越强，价格越来越便宜，相配 套的 EDA 软件越来越完善，因而深受设计人员的喜爱。目前，在电子系统的开发阶段的硬 件验证过程中，一般都采用可编程逻辑器件，以期尽快开发产品，迅速占领市场。等大批量 生产时，再根据实际情况转换成前面三种方法中的一种进行“再设计”。