1、高 等 学 校 通 用 教 材E D A 技 术 及 其 应 用汉 泽 西 等 编 著内 容 简 介本 书 较 全 面 地 介 绍 了 EDA 技 术 的 主 要 内 容 : 集 成 电 路 简 介 ; EDA 基 础 ; 数 字 系 统 硬 件 设 计 基 础 ; V H DL 语 言 基 本 结 构 ; V H DL 语 言 数 据 类 型 及 运 算 操 作 符 ; V H DL 语 言 主 要 描 述 语 句 ; 基 本 逻 辑 电 路 设 计 ; 时 序 逻 辑 电 路 设 计 ; FP GA 加 载 综 述 ; 软 件 介 绍 ; 数 值 系 统 的 状 态 模 型 ; HDL 编
2、 码 风 格 与 编 码 指 南 软 件 介 绍 。本书 取 材 新 颖 , 内 容 丰 富 , 实用 为 主 , 重点 突 出 , 可 作 为 高 等 院 校 电 子 工 程 、 自 动 化 、 通 信 工 程 、 信 息 工 程 、 计 算 机应 用 、 仪 器 仪表 及 相 近 专 业 之 本 科 生 或 研究 生 教 材 , 亦 可 作 为 相 关 工 程 技 术 人 员 的 自 学 参 考 书 。图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据EDA 技 术 及 其 应 用 / 汉 泽 西 等 编 著 .北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2004. 5ISBN
3、 7 81077 428 X .E .汉 .电 子 电 路 电 路 设 计 : 计 算 机 辅 助 设 计 .T N702中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2004) 第 025609 号EDA 技 术 及 其 应 用 汉 泽 西 等 编 著 责 任 编 辑 : 金 友 泉*北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 出 版 发 行北 京 市 海 淀 区 学 院 路 3 7 号 ( 10 0 0 83 ) 发 行 部 电 话 : 01 0 82 3 17 0 24 传 真 : 0 10 8 23 2 80 2 6 h t t p :/ / w ww .b ua apr es
4、 s .com .cn E- m ail : b hp res s 2 6 3 .n et河 北 省 涿 州 市 新 华 印 刷 厂 印 装 各 地 书 店 经 销*开 本 : 78 7 9 6 0 1/ 1 6 印 张 : 2 2 .5 0 字 数 : 50 4 千 字2 00 4 年 5 月 第 1 版 2 00 4 年 5 月 第 1 次 印 刷 印 数 : 5 00 0 册ISB N 7 8 1 07 7 42 8 X 定 价 : 29 . 00 元前 言当 前 电 子 系 统 的 设 计 正 朝 着 速 度 快 、 容 量 大 、 体 积 小 、 质 量 轻 、 用 电 省 的 方
5、向 发 展 。 推 动 该 潮 流 迅 猛 发 展 的 决 定 性 的 因 素 就 是 使 用 了 现 代 化 的 EDA 设 计 工 具 。 EDA 是 Elect ronics De- s ign A u tomation( 电 子 设 计 自 动 化 ) 的 缩 写 , 是 随 着 集 成 电 路 和 计 算 机 技 术 飞 速 发 展 应 运 而 生的 一 种 快 速 、 有 效 、 高 级 的 电 子 设 计 自 动 化 工 具 。 将 来 的 不 少 电 子 系 统 设 计 都 将 简 化 为 两 个 主 要 部 分 : 通 用 嵌 入 式 微 处 理 器 和 包 含 模 拟 到
6、数 字 信 号 变 换 的 可 编 程 逻 辑 芯 片 部 分 。 由 它 们 构成 一 个 统 一 、 通 用 的 电 子 系 统 设 计 平 台 , 外 围 电 路 只 需 要 信 号 调 理 电 路 即 可 。 由 此 可 见 , 电 子 系 统 的 电 路 设 计 变 得 更 简 单 , 设 计 周 期 大 大 缩 短 。 系 统 中 用 于 计 算 和 控 制 的 硬 件 电 路 大 同 小异 ; 电 子 系 统 设 计 工 作 内 容 的 重 点 将 从 硬 件 系 统 电 路 功 能 设 计 转 移 到 面 向 应 用 的 功 能 设 计 。 也 就 是 说 , 电 子 系 统
7、随 着 面 向 应 用 对 象 的 不 同 , 则 对 功 能 的 需 求 也 不 同 。 因 此 , 设 计 人 员 在 不必 更 改 硬 件 电 路 设 计 的 前 提 下 , 只 须 要 修 改 可 编 程 逻 辑 电 路 的 功 能 和 用 户 软 件 , 就 可 以 完 成 面 向 不 同 应 用 需 求 的 系 统 设 计 了 。 系 统 中 硬 件 功 能 设 计 任 务 主 要 体 现 在 用 形 式 化 的 硬 件 描 述 语 言 , 如 V HD L 和 Verilog 语 言 ; 完 成 系 统 中 几 乎 全 部 硬 件 的 功 能 描 述 , 并 通 过 使 用 ED
8、A 工 具 将 这 些 用 语 言 描 述 的 功 能 映 射 到 可 编 程 逻 辑 芯 片 中 , 从 而 完 成 功 能 设 计 到 电 路 设 计 的 全 过 程 。多 年 的 实 践 证 明 , 全 面 使 用 EDA 工 具 是 电 子 设 计 技 术 的 发 展 趋 势 , 利 用 EDA 工 具 可 以代 替 设 计 者 完 成 电 子 系 统 设 计 中 的 大 部 分 工 作 。 这 是 因 为 利 用 E DA 技 术 进 行 电 子 系 统 的 设计 , 它 具 有 以 下 主 要 特 点 :1. 用 软 件 方 式 设 计 的 系 统 到 硬 件 系 统 的 映 射
9、是 由 有 关 的 开 发 软 件 自 动 完 成 的 ;2. 设 计 过 程 中 可 以 充 分 利 用 EDA 工 具 提 供 的 有 效 手 段 , 对 设 计 的 系 统 功 能 进 行 各 种 仿真 , 及 时 地 发 现 并 修 改 错 误 ;3. 系 统 具 有 可 现 场 编 程 能 力 , 能 够 在 线 升 级 , 不 断 地 提 升 系 统 性 能 ;4. 整 个 系 统 可 集 成 在 一 个 芯 片 上 , 体 积 小 、 功 耗 低 、 可 靠 性 高 。在 使 用 V H DL 硬 件 描 述 语 言 和 EDA 技 术 进 行 电 路 设 计 时 , 遵 守 的
10、 是 自 顶 向 下 的 设 计 流程 。 设 计 过 程 中 可 以 充 分 地 采 用 前 人 已 经 设 计 、 验 证 过 的 I P ( 知 识 产 权 ) 模 块 , 实 现 前 人 设 计 成 果 的 复 用 。 采 取 这 样 的 设 计 方 法 设 计 电 子 系 统 , 大 大 缩 短 了 新 产 品 的 设 计 周 期 , 降 低 设 计 成 本 , 又 快 又 好 地 满 足 市 场 的 需 求 , 是 广 大 电 子 工 程 师 与 电 子 、 计 算 机 、 通 信 、 微 电 子 等 专 业 的 学 生 应 该 掌 握 的 方 法 和 技 术 。近 年 来 , 有
11、 关 院 校 纷 纷 加 大 了 对 EDA 技 术 的 研 究 和 EDA 实 验 室 的 建 设 , 并 已 逐 步 在 本科 生 中 增 开 此 类 课 程 。 作 者 认 为 有 必 要 整 合 和 优 化 相 关 内 容 , 编 写 一 本 易 于 在 相 关 专 业 技 术人 员 中 普 及 、 易 于 被 相 关 专 业 大 学 生 、 研 究 生 自 学 并 掌 握 的 教 材 。本 书 共 分 12 章 , 其 中 第 1 5 章 由 汉 泽 西 老 师 编 写 , 第 7 10 章 由 张 欣 老 师 编 写 , 第 6、 11 、 12 章 由 西 安 交 通 大 学 的
12、 陈 翔 老 师 编 写 。 全 书 由 汉 泽 西 老 师 统 稿 、 定 稿 。在 本 书 的 编 写 过 程 中 , 李 丽 容 教 授 初 审 了 本 书 , 西 北 工 业 大 学 的 于 海 勋 教 授 终 审 了 本 书 ,并 给 予 我 们 大 力 支 持 、 鼓 励 及 指 导 , 在 此 一 并 致 谢 。 作 者 水 平 有 限 , 书 中 差 错 敬 请 读 者 批 评 指 正 。作 者2004 年1 .1 .1 原 始 的 手 工 设 计 21 .1 .2 计 算 机 辅 助 设 计 CAD 21 .1 .3 电 子 设 计 自 动 化 EDA 31 .1 .4 电
13、子 系 统 设 计 自 动 化 ESDA 31 .1 .5 用 户 现 场 可 编 程 器 件 F PGA 41 .2 设 计 过 程 41 .3 集 成 电 路 设 计 的 层 次 51 .4 ASIC 设 计 的 技 术 发 展 6目 录第 1 章 绪 论1 .1 集 成 电 路 设 计 方 法 与 设 计 手 段 21 .4 .1 ASIC 及 其 设 计 流 程 81 .4 .2 ASIC 设 计 方 法 81 .4 .3 一 般 的 ASIC 设 计 流 程 10第 2 章 EDA 基 础2 .1 EDA 的 定 义 122 .2 EDA 技 术 的 发 展 历 程 122 .3 E
14、DA 技 术 的 基 本 特 征 122 .4 EDA 技 术 的 基 本 工 具 132 .4 .1 常 用 EDA 工 具 132 .4 .2 设 计 输 入 编 辑 器 132 .4 .3 HDL 综 合 器 142 .4 .4 仿 真 器 152 .4 .5 适 配 器 ( 布 局 、 布 线 器 ) 162 .4 .6 下 载 器 172 .5 EDA 技 术 的 基 本 设 计 思 路 172 .5 .1 EDA 技 术 的 电 路 级 设 计 172 .5 .2 EDA 技 术 的 系 统 级 设 计 182 .6 EDA 设 计 流 程 182 .6 .1 设 计 输 入 (
15、原 理 图 / HDL 文 本 编 辑 ) 192 EDA 技 术 及 其 应 用2 .6 .2 综 合 过 程 202 .6 .3 适 配 器 212 .6 .4 时 序 仿 真 与 功 能 仿 真 212 .6 .5 编 程 下 载 222 .6 .6 硬 件 测 试 222 .7 EDA 技 术 的 发 展 趋 势 222 .8 FPGA/ C PLD 芯 片 内 部 组 成 结 构 232 .8 .1 基 于 乘 积 项 的 P LD 结 构 232 .8 .2 乘 积 项 结 构 P LD 的 逻 辑 实 现 原 理 242 .8 .3 查 找 表 的 原 理 与 结 构 252 .
16、8 .4 基 于 查 找 表 的 F PGA 的 结 构 262 .8 .5 查 找 表 结 构 的 F PGA 逻 辑 实 现 原 理 29第 3 章 数 字 系 统 硬 件 设 计 基 础3 .1 概 述 303 .1 .1 由 底 向 上 的 设 计 303 .1 .2 由 顶 向 下 的 设 计 303 .2 硬 件 描 述 语 言 313 .2 .1 V H DL 语 言 概 述 323 .2 .2 V H DL 语 言 特 点 323 .2 .3 V H DL 语 言 描 述 方 法 333 .3 自 顶 向 下 技 术 的 设 计 流 程 及 关 键 技 术 373 .3 .1
17、系 统 设 计 383 .3 .2 系 统 的 综 合 优 化 393 .3 .3 系 统 实 现 403 .4 设 计 描 述 风 格 模 型 403 .5 V H DL 综 合 41第 4 章 VH DL 语 言 基 本 结 构4 .1 V H DL 语 言 概 述 444 .1 .1 设 计 实 体 和 结 构 体 的 概 念 444 .1 .2 结 构 和 行 为 474 .1 .3 数 据 类 型 与 对 象 494 .1 .4 V H DL 主 要 组 成 部 分 50目 录 34 .1 .5 设 计 库 514 .2 V H DL 的 结 构 描 述 524 .2 .1 结 构
18、描 述 的 基 本 特 征 534 .2 .2 规 则 结 构 584 .2 .3 配 置 指 定 624 .3 V H DL 语 言 构 造 体 的 子 结 构 描 述 644 .3 .1 Block 语 句 结 构 描 述 644 .3 .2 进 程 ( P rocess) 语 句 结 构 描 述 664 .4 子 程 序 674 .4 .1 过 程 语 句 674 .4 .2 函 数 语 句 694 .5 包 集 合 、 库 及 配 置 724 .5 .1 库 724 .5 .2 包 集 合 744 .5 .3 配 置 78第 5 章 VH DL 语 言 数 据 类 型 及 运 算 操
19、作 符5 .1 V H DL 语 言 的 数 据 类 型 845 .1 .1 标 准 的 数 据 类 型 845 .1 .2 用 户 定 义 的 数 据 类 型 865 .1 .3 用 户 定 义 子 类 型 885 .1 .4 数 据 类 型 的 限 定 和 转 换 895 .2 V H DL 语 言 的 客 体 及 其 分 类 905 .2 .1 常 数 905 .2 .2 变 量 915 .2 .3 信 号 915 .2 .4 信 号 与 变 量 值 代 入 的 区 别 925 .3 V H DL 语 言 的 运 算 操 作 符 925 .3 .1 逻 辑 运 算 符 935 .3 .2
20、 算 术 运 算 符 945 .3 .3 关 系 运 算 符 945 .3 .4 连 接 运 算 符 954 EDA 技 术 及 其 应 用第 6 章 VH DL 语 言 主 要 描 述 语 句6 .1 顺 序 描 述 语 句 966 .1 .1 进 程 966 .1 .2 信 号 和 变 量 的 赋 值 976 .1 .3 进 程 挂 起 语 句 W ait 986 .1 .4 断 言 语 句 A ssert 1026 .1 .5 条 件 控 制 语 句 If 1026 .1 .6 条 件 控 制 语 句 Case 1066 .1 .7 循 环 控 制 语 句 F or 1116 .2 并
21、发 描 述 语 句 1146 .2 .1 进 程 语 句 1146 .2 .2 并 行 信 号 赋 值 语 句 1156 .2 .3 条 件 信 号 赋 值 语 句 1166 .2 .4 选 择 信 号 赋 值 语 句 1186 .2 .5 并 发 过 程 调 用 语 句 1196 .2 .6 块 语 句 1206 .3 At tri bute 描 述 与 定 义 语 句 1246 .3 .1 数 值 类 属 性 1246 .3 .2 函 数 类 属 性 1256 .3 .3 信 号 类 属 性 1266 .3 .4 数 据 类 属 性 1266 .3 .5 数 据 区 间 类 属 性 126
22、6 .3 .6 用 户 自 定 义 类 属 性 1266 .4 Te xtio 1276 .5 决 断 信 号 130第 7 章 基 本 逻 辑 电 路 设 计7 .1 基 本 门 电 路 1337 .1 .1 反 相 器 门 电 路 1337 .1 .2 两 输 入 与 门 电 路 1357 .1 .3 两 输 入 与 非 门 电 路 1377 .1 .4 两 输 入 或 门 电 路 1397 .1 .5 两 输 入 或 非 门 电 路 142目 录 57 .1 .6 两 输 入 异 或 门 电 路 1447 .1 .7 两 输 入 同 或 门 电 路 1467 .1 .8 四 输 入 与
23、非 门 电 路 1497 .2 选 择 器 1527 .2 .1 四 选 一 1527 .2 .2 四 路 选 通 器 1557 .2 .3 十 六 选 一 选 择 器 1567 .3 编 码 器 与 译 码 器 1597 .3 .1 优 先 级 8 3 编 码 器 1597 .3 .2 74 LS348 编 码 器 1627 .3 .3 138 译 码 器 1637 .4 加 法 器 1657 .4 .1 一 位 半 加 器 1657 .4 .2 一 位 全 加 器 1687 .4 .3 串 行 进 位 加 法 器 1727 .4 .4 超 前 进 位 加 法 器 1737 .4 .5 处
24、理 多 个 加 法 器 的 技 巧 1757 .4 .6 八 位 比 较 器 1757 .5 求 补 器 1787 .6 三 态 门 及 总 线 缓 冲 器 1797 .6 .1 三 态 门 电 路 1797 .6 .2 单 向 总 线 缓 冲 器 1817 .6 .3 双 向 总 线 缓 冲 器 183第 8 章 时 序 逻 辑 电 路 设 计8 .1 时 钟 信 号 和 复 位 信 号 1858 .1 .1 时 钟 信 号 1858 .1 .2 复 位 信 号 1878 .2 D 触 发 器 1898 .2 .1 D 触 发 器 1898 .2 .2 带 异 步 复 位 上 升 沿 的 D
25、 触 发 器 1898 .2 .3 带 异 步 置 位 复 位 上 升 沿 的 D 触 发 器 1908 .2 .4 带 异 步 复 位 和 输 入 使 能 上 升 沿 的 D 触 发 器 1918 .3 T 触 发 器 1926 EDA 技 术 及 其 应 用8 .4 R S 触 发 器 1938 .5 J K 触 发 器 1948 .6 寄 存 器 1968 .6 .1 4 位 锁 存 器 1968 .6 .2 串 行 输 入 、 并 行 输 出 移 位 寄 存 器 1968 .6 .3 通 用 寄 存 器 1978 .6 .4 三 态 8 进 制 D 型 寄 存 器 1988 .6 .5
26、 8 位 同 步 置 数 、 清 零 寄 存 器 1998 .6 .6 移 位 寄 存 器 T T L 164 2008 .6 .7 8 位 移 位 寄 存 器 的 结 构 级 描 述 2018 .6 .8 桶 形 移 位 寄 存 器 的 两 种 实 现 方 式 2028 .7 计 数 器 2068 .7 .1 带 异 步 清 零 和 计 数 使 能 的 8 位 同 步 二 进 制 计 数 器 2068 .7 .2 带 异 步 清 零 和 计 数 使 能 的 十 进 制 计 数 器 2078 .7 .3 异 步 计 数 器 2088 .8 存 储 器 2098 .8 .1 存 储 器 描 述
27、中 的 一 些 共 性 问 题 2098 .8 .2 R O M 只 读 存 储 器 2108 .8 .3 R A M 随 机 存 储 器 2128 .8 .4 基 于 R OM 的 波 形 产 生 器 2138 .8 .5 先 入 先 出 ( F IFO ) 存 储 器 2148 .8 .6 16 字 8 位 的 R A M 行 为 级 描 述 2168 .8 .7 256 字 8 位 R O M 行 为 级 描 述 2178 .8 .8 堆 栈 2198 .9 综 合 举 例 2218 .9 .1 分 频 器 2218 .9 .2 延 迟 电 路 2248 .9 .3 8 位 无 符 号
28、乘 法 器 2258 .9 .4 使 用 Ge ner ate 参 数 的 n 位 加 法 器 2268 .9 .5 序 列 检 测 器 2278 .9 .6 16 位 ADC 2288 .9 .7 16 位 DAC 2298 .9 .8 经 典 的 2- Proces s 状 态 机 描 述 与 T es t Be nch 2298 .9 .9 使 用 变 量 描 述 的 状 态 机 231目 录 78 .9 .10 异 步 Reset 状 态 机 2338 .9 .11 具 有 M oore a nd M ealy 型 输 出 的 状 态 机 2348 .9 .12 多 输 出 逻 辑 的
29、 M oore 型 状 态 机 2368 .9 .13 总 线 描 述 2378 .9 .14 定 时 器 的 设 计 2408 .10 综 合 2458 .10 .1 R T L 级 描 述 2468 .10 .2 综 合 中 的 约 束 2488 .10 .3 属 性 描 述 2498 .10 .4 工 艺 库 2518 .10 .5 综 合 的 基 本 步 骤 252第 9 章 FPG A 加 载 综 述9 .1 FPGA 加 载 的 数 据 流 格 式 2619 .2 FPGA 的 上 电 配 置 过 程 2629 .2 .1 初 始 化 2629 .2 .2 延 迟 配 置 模 式
30、2629 .2 .3 启 动 2639 .2 .4 启 动 时 序 2649 .3 FPGA 加 载 的 几 种 方 式 2649 .3 .1 主 动 串 行 模 式 2659 .3 .2 从 动 串 行 模 式 2669 .3 .3 主 动 并 行 模 式 2679 .3 .4 同 步 外 围 模 式 2689 .3 .5 异 步 周 边 模 式 2699 .3 .6 菊 花 链 方 式 2709 .4 CCL K 的 频 率 设 置 2719 .5 J T AG 链 及 其 工 作 方 式 2719 .5 .1 边 界 扫 描 简 介 2719 .5 .2 J T AG 配 置 可 编 程
31、 器 件 2729 .5 .3 多 个 J T AG 器 件 连 接 2739 .6 VIR T E X 芯 片 的 加 载 2738 EDA 技 术 及 其 应 用10 .1 .1 M AX + P LU SI I 概 况 27610 .1 .2 M AX + P LU SI I 软 件 的 流 程 27710 .1 .3 建 立 和 编 辑 一 个 V H DL 工 程 文 件 27810 .1 .4 V HDL 语 言 程 序 的 编 译 28010 .1 .5 V HDL 语 言 程 序 的 仿 真 28210 .1 .6 原 理 图 输 入 法 28510 .1 .7 器 件 编 程
32、 288第 10 章 软 件 介 绍10 .1 M AX + P LU SI I 软 件 27610. 2 Active_ H DL 集 成 环 境 29010. 2. 1 Active_ H DL 的 V H DL 语 言 设 计 、 编 译 与 仿 真 29110. 2. 2 Active_ H DL 的 状 态 机 设 计 、 编 译 与 仿 真 29610 .3 Synplify 的 使 用 302第 11 章 数 值 系 统 的 状 态 模 型11 .1 二 态 数 值 系 统 30711 .2 三 态 数 值 系 统 30811 .3 四 态 数 值 系 统 30911 .4 九
33、态 数 值 系 统 31011 .5 十 二 态 数 值 系 统 31211 .6 四 十 六 态 数 值 系 统 313第 12 章 HDL 编 码 风 格 与 编 码 指 南 软 件 介 绍12 .1 H DL 编 码 风 格 31512 .1 .1 文 件 头 和 修 订 列 表 31512 .1 .2 联 机 注 释 31712 .2 V HDL 命 名 通 用 规 则 31712 .3 V HDL 命 名 具 体 规 则 31912 .3 .1 实 体 和 结 构 31912 .3 .2 端 口 31912 .3 .3 结 构 体 31912 .3 .4 元 件 32012 .3 .
34、5 配 置 320目 录 912 .3 .6 包 、 函 数 和 过 程 32012 .3 .7 枚 举 、 数 据 类 型 、 记 录 和 数 组 32012 .3 .8 信 号 和 变 量 32112 .3 .9 进 程 和 块 32112 .3 .10 测 试 工 作 台 32112 .3 .11 文 件 和 目 录 结 构 32212 .3 .12 其 他 32212 .4 V HDL 注 释 32212 .5 V HDL 代 码 标 准 格 式 32212 .6 V HDL 编 码 指 导 32412 .6 .1 通 用 指 导 32412 .6 .2 可 移 植 性 编 码 指 导
35、 32812 .6 .3 复 位 33012 .6 .4 时 钟 33012 .6 .5 总 线 33012 .6 .6 通 用 规 则 33012 .6 .7 V HDL 代 码 指 导 原 则 33112 .7 V HDL 保 留 字 333附 录 中 英 文 对 照 表 335习 题 与 思 考 题 340参 考 文 献 342第 1 章 绪 论社 会 信 息 化 和 互 联 网 正 在 对 人 类 经 济 和 社 会 生 活 产 生 革 命 性 的 影 响 , 而 半 导 体 产 业 则 是互 联 网 和 信 息 化 的 基 础 与 核 心 。 当 前 我 国 特 别 需 要 加 强
36、基 础 性 、 关 键 性 的 高 新 技 术 领 域 的 创 新 , 加 速 高 技 术 产 业 , 尤 其 是 具 有 战 略 意 义 的 新 兴 产 业 的 发 展 和 应 用 。 半 导 体 产 业 就 是 这 样 一 个 具 有 基 础 性 、 关 键 性 的 高 科 技 产 业 。 自 进 人 21 世 纪 后 , 信 息 产 业 已 成 为 世 界 经 济 中 规 模 最大 、 发 展 最 为 迅 猛 的 产 业 。 因 此 对 微 电 子 信 息 技 术 和 以 微 电 子 技 术 为 基 础 的 V LSI ( 超 大 规 模集 成 电 路 设 计 ) 技 术 将 不 断 提
37、 出 更 高 的 发 展 要 求 , 微 电 子 技 术 仍 将 继 续 是 21 世 纪 若 干 年 代 中最 为 重 要 的 和 最 有 活 力 的 高 科 技 领 域 之 一 , 而 集 成 电 路 ( IC ) 技 术 在 微 电 子 领 域 占 有 极 其 重 要的 地 位 。 几 十 年 来 集 成 电 路 技 术 一 直 以 极 高 的 速 度 发 展 。 在 我 国 的 “十 五” 计 划 建 议 中 重 点 提 到 了 要 加 速 发 展 信 息 产 业 , 重 点 推 进 超 大 规 模 集 成 电 路 高 性 能 计 算 机 、 大 型 系 统 软 件 、 超 高 速 网
38、 络 系 统 、 新 一 代 移 动 通 信 装 备 和 数 字 电 视 系 统 等 核 心 信 息 技 术 的 产 业 化 , 加 快 发 展 软 件 产 业 和 集 成 电 路 产 业 , 支 持 新 型 元 器 件 即 计 算 机 网 络 产 品 、 数 字 视 听 产 品 的 发 展 , 提 高 信 息 化 装 备 和 系 统 集 成 能 力 以 满 足 市 场 对 各 类 信 息 产 品 的 需 求 。 而 信 息 化 社 会 的 技 术 支 柱 就 是 计 算 机 软 件 和 硬 件 , 硬 件 中 的 核 心 技 术 则 是 大 规 模 集 成 电 路 技 术 。自 从 在 一
39、个 芯 片 上 制 作 几 个 晶 体 管 及 其 连 接 线 的 集 成 电 路 IC ( in tegr ated circuit ) 概 念 问世 以 来 , IC 技 术 与 内 涵 发 生 了 翻 天 覆 地 的 变 化 , 并 由 此 导 致 数 字 系 统 设 计 的 概 念 也 发 生 了 巨大 的 变 化 。 由 于 所 设 计 的 系 统 的 规 模 已 从 几 十 、 几 百 门 增 加 到 几 万 、 几 千 万 门 , 使 得 从 前 电 子工 程 师 所 熟 悉 的 画 电 路 图 、 真 值 表 和 卡 诺 图 的 设 计 方 法 已 经 远 远 不 能 满 足
40、数 字 系 统 的 复 杂 性要 求 。 依 照 电 路 图 做 验 证 样 机 的 方 法 在 调 试 中 小 规 模 的 电 路 还 可 以 适 用 ; 但 对 于 大 规 模 系 统 , 这 样 的 做 法 不 论 是 设 计 还 是 调 试 都 是 一 件 非 常 费 时 费 力 的 工 作 , 无 法 快 速 的 设 计 出 所 需 的 系统 , 同 时 大 大 增 加 了 研 制 新 产 品 的 费 用 。随 着 集 成 电 路 技 术 的 发 展 和 向 各 行 各 业 的 渗 透 , 专 用 集 成 电 路 ASIC ( a pplication specific inte g
41、rated cir cuit s) 技 术 应 运 而 生 。 现 在 的 电 子 工 程 师 已 经 可 以 设 计 出 复 杂 度 很 高 的 系 统 了 。 无 论 是 庞 大 的 通 信 、 自 动 控 制 系 统 , 还 是 简 单 精 致 的 仪 器 仪 表 、 玩 具 电 路 等 , 无 一 不 希 望 能 采 用 专 用 集 成 电 路 技 术 加 以 实 现 , 以 达 到 产 品 体 积 小 、 质 量 轻 、 耗 电 省 、 可 靠 性 高 、 保 密 性 强 等 目 的 。 特 别 是 在 先 进 的 通 信 设 备 、 计 算 机 系 统 和 网 络 设 备 中 ,
42、是 否 使 用 了 用 户 自 行 开 发 的 专 用 芯 片 已 经 成 为 衡 量 系 统 先 进 性 的 一 个 标 准 。 一 个 完 全 由 通 用 芯 片 组 成 的 系 统 不 但 毫 无 技 术 上 的 领 先 性 , 同 时 产 品 的 保 密 性 也 很 差 , 很 容 易 短 时 间 内 就 被 仿 制 出 来 ; 因 此 专 用 集 成 电 路 的 开 发 是 一个 电 子 工 程 师 必 须 具 备 的 条 件 。 同 时 从 规 模 上 讲 , 现 在 的 一 个 ASIC 芯 片 所 包 含 的 电 路 远 远超 出 以 前 的 一 个 系 统 。 一 个 ASI
43、C 工 程 师 需 要 做 的 工 作 量 要 超 过 以 前 设 计 一 个 系 统 的 多 个 人2 EDA 技 术 及 其 应 用工 作 量 的 总 和 , 这 就 对 电 子 工 程 师 的 设 计 能 力 提 出 了 极 高 的 要 求 。高 层 次 设 计 方 法 H LD ( high level design) 是 从 20 世 纪 80 年 代 末 以 来 , 最 新 专 用 集 成 电 路 设 计 的 最 先 进 设 计 方 法 , 它 为 用 户 设 计 更 大 规 模 、 更 高 水 平 、 性 能 优 良 的 数 字 系 统 提 供 了 可 靠 的 保 证 。1 .1
44、 集 成 电 路 设 计 方 法 与 设 计 手 段集 成 电 路 设 计 方 法 经 历 了 以 下 几 个 阶 段 : 原 始 的 手 工 设 计 ; 计 算 机 辅 助 设 计 C AD( compu ter aide d d esign ) ; 电 子 设 计 自 动 化 EDA ( electronics design au tomation) ; 电 子 系 统 设 计 自 动 化 ESDA ( elect ronics sys tem d esign a u tomation) ; 用 户 现 场 可 编 程 器 件 FPG A ( field progra mma ble ga
45、te ar ra y) 。1 .1 .1 原 始 的 手 工 设 计 靠 人 脑 、 纸 张 、 笔 完 成 功 能 设 计 、 逻 辑 设 计 和 电 路 设 计 。 用 分 立 元 件 搭 建 硬 件 模 拟 电 路 , 让 信 号 通 过 这 个 模 拟 电 路 以 验 证 其 功 能 及 各 项 参 数 是否 满 足 设 计 要 求 。 版 图 设 计 阶 段 , 采 用 人 工 进 行 布 局 布 线 , 凭 借 感 觉 与 经 验 , 反 复 调 整 与 斟 酌 , 确 定 最 佳排 版 方 案 , 使 之 遵 循 面 积 最 小 、 连 线 最 短 的 原 则 。 手 工 绘 制
46、 版 图 , 分 层 剥 刻 红 膜 , 拍 照 制 版 。 试 制 流 片 。 整 个 IC 芯 片 试 制 成 功 与 否 , 设 计 正 确 与 否 , 版 图 及 其 以 后 设 计 部 分 正 确 与 否 , 都 只 有等 到 最 终 测 试 流 片 结 果 以 后 才 可 以 知 晓 。原 始 的 手 工 设 计 主 要 应 用 于 早 期 的 小 规 模 IC。 它 对 于 IC 技 术 从 无 到 有 、 从 小 到 大 的 发 展 是 功 不 可 没 的 。1 .1 .2 计 算 机 辅 助 设 计 CAD随 着 计 算 机 软 件 技 术 的 渗 透 , 各 种 各 样 的
47、 计 算 机 模 拟 软 件 ( 线 路 模 拟 、 逻 辑 模 拟 、 时 序 模 拟 、 器 件 模 拟 、 工 艺 模 拟 等 ) 先 后 问 世 , 构 成 了 早 期 C AD 技 术 的 主 要 内 涵 。SPICE 是 线 路 模 拟 软 件 最 成 功 的 代 表 。 对 于 一 个 规 模 不 是 很 大 的 电 路 , SPICE 可 以 完 全取 代 了 以 往 的 硬 件 实 物 模 拟 方 法 , 而 代 之 以 计 算 机 简 便 、 灵 活 、 高 效 、 正 确 的 验 证 方 法 。 它 确 定 电 路 功 能 及 参 数 的 正 确 性 , 成 为 中 小
48、IC 设 计 中 使 用 最 为 广 泛 的 有 力 工 具 之 一 。CAD 的 另 一 个 方 向 是 计 算 机 介 入 IC 的 版 图 设 计 领 域 。 利 用 数 字 化 仪 、 鼠 标 或 光 笔 等 , 在第 1 章 绪 论 3计 算 机 上 进 行 绘 制 和 排 版 。CAD 技 术 的 发 展 从 20 世 纪 70 年 代 开 始 , 经 历 了 一 个 较 长 的 发 展 阶 段 , 相 应 的 各 种 辅 助功 能 也 日 趋 完 善 。 从 最 初 的 单 纯 辅 助 输 入 , 提 供 简 单 的 ERC( 电 学 规 则 检 查 ) 、 D RC( 设 计
49、规 则 检 查 ) 等 , 进 一 步 发 展 到 集 提 供 各 种 复 杂 的 辅 助 分 析 、 设 计 手 段 于 一 体 的 , 以 计 算 机 工 作 站 为 硬 件 支 持 的 计 算 机 辅 助 工 程 ( CA E ) 时 代 。 C AD 技 术 到 20 世 纪 80 年 代 中 期 趋 于 成 熟 , 从 而 为 EDA 技 术 的 出 现 奠 定 了 基 础 。1 .1 .3 电 子 设 计 自 动 化 EDAEDA 技 术 是 C AD 技 术 发 展 的 必 然 产 物 。 随 着 CAD 软 件 的 不 断 丰 富 和 完 善 , 计 算 机 硬 件 性 能 的 提 高 , 使 得 统 一 完 备 的 集 成 化 设 计 环 境 ( EDA 工 作 站 ) 出 现 了 。在 版 图 设 计 方 面 , 全 定 制 、 定 制 、 半 定 制 设 计 思 想 使 得 版 图 设 计 向 规 范 化 、 标 准 化 方 向 发 展 。 使 自 动 、 半 自 动 布 局 布 线 成 为 可 能 。在 逻 辑 设 计 方 面 , 逻 辑 综 合 软 件 解 决 了 从 系 统 设 计 到 逻 辑 设 计 之 间 的 工 作 。 系 统 设 计 者只 要 用 硬 件 描 述 语 言 给 出 系 统
