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電子系統EDA集成開發環境框架結構

更新日期:2006-09-16  作者:上海大學…  來源:單片機及嵌入式系統應用

摘要:EDA集成開發環境是電子系統開發必備的工具與手段。本文根據目前的EDA工具軟件及其套件結構和電子系統的開發需要,提出三種不同類型的典型EDA集成開發環境框架結構——板級、芯片級和綜合型電子系統EDA集成開發環境框架結構,并以圖示的方式進行描述。

關鍵詞:電子系統 電子設計自動化(EDA) 集成開發環境(IDE) SoC 框架結構

引 言

  電子系統EDA集成開發環境IDE(Integrated Development Environment)是指根據電子系統設計流程,將設計流程中各個階段所需要的不同的EDA工具軟件集成在一個硬件平臺上,進行項目設計開發的軟硬工作環境。在此環境中,項目的設計數據通過文件方式在各個EDA工具之間流轉,就像工廠里生產流水線上的產品流動一樣,直到產品生產全過程結束。

  由于各個EDA工具開發商在不同的設計環節有不同的專長,其EDA工具也有不同的特色。有的EDA工具行為描述能力強,不僅具有算法級和寄存器傳輸級行為設計描述能力,而且還具有系統級行為設計描述能力;有的EDA工具的邏輯綜合效率高,占用資源少;有的EDA工具時序仿真較為精確,設計的項目能夠工作于較高的頻率;有的EDA工具界面友好,容易使用。選擇優秀的EDA工具,構成超級的電子系統EDA集成開發環境是項目開發工程師首要的任務之一。通常,選擇優秀的EDA工具有如下幾個約束條件:①EDA工具的使用授權限制;②設計語言、設計數據、設計格式的兼容性;③EDA工具與計算機及其操作系統的兼容性問題;④設計項目實際需要的限制。

  不同的設計對象,其EDA集成開發環境架構有很大的差別。例如,在經典的板級電子系統設計中,通常是將許多專用集成電路(ASIC)芯片、通用的門電路芯片設計在一塊印刷電路板(PCB)上來完成整個電子系統設計,其設計的基本素材的集成電路芯片;在現代的芯片級電子系統設計中,通常是將許多的軟、硬知識產權(IP)核或電路模塊設計在一個超在規模集成電路芯片上來完成整個電子系統設計,其設計的基本素材是可復用的IP核或電路模塊。隨著集成電路技術的發展,電子系統設計開始逐漸從經典的板級系統設計轉化為現代的芯片級系統設計,因此電子系統設計工程師的開發工作也逐漸從板上電子系統設計轉向片上系統(SoC)設計設計的基本構件也從通用的IC轉為復用的IP。

  本文根據目前的EDA工具軟件或套件的結構,從電子系統的設計開發需要出發,把電子系統EDA集成開發環境分為三種類型:板級電子系統EDA集成開發環境、芯片級電子系統EDA集成開發環境和綜合型電子系統EDA集成開發環境,并且提出此三種類型的EDA集成開發環境的框架結構,以便電子系統設計者從總體上了解和掌握電子系統集成開發環境使用方法和構造方法。

1 板級電子系統EDA集成開發環境

  典型的板級電子系統EDA集成開發環境如圖1所示。此種類型的集成開發環境通常是由板級電子系統的硬件系統集成設計環境(即PCB集成設計環境)和軟件系統集成設計環境兩個部分構成的。

  任何一種板級電子系統都是由硬件和軟件兩個子系統組成的,因此一個完整的板級電子系統集成開發環境,除了用于硬件系統開發的EDA集成設計環境外,還應當包括軟件實時仿真開發調試環境。對于低端的微控制器應用系統,通常是由硬件仿真器及其配套仿真軟件組成的(見圖1中部);對于高端32位嵌入式處理器應用系統,通常是一種基于嵌入式實時操作系統RTOS(Real-Time Operating System)平臺(見圖1底部)。

2 芯片級電子系統EDA集成開發環境

  芯片級電子系統EDA集成開發環境,也是一種集成電路(IC)EDA集成開發環境。在集成電路設計中,不同的設計方法和設計流程需要不同的EDA集成開發環境。根據設計對象的不同,芯片級電子系統EDA集成開發環境可分為專用集成電路(ASIC)集成設計環境和片上系統(SoC)集成設計環境。這里需特別指出的是SoC和ASIC概念的區別。從電子線路的角度理解可以認為:ASIC是一種具有某種特定功能的大規模集成電路芯片,如VGA圖像處理芯片、PCI接口芯片、視頻放大芯片等;而SoC是一種集成了微處理器、存儲器、外圍電路和軟件系統程序的自成系統的超大規模集成電路芯片。

(1)ASIC集成設計環境

  典型的ASIC集成設計環境如圖2所示。由圖2可以得出,在此集成設計環境的設計流程中,可以生成五種不同類型的產品:①經過功能驗證后的軟IP核;②經邏輯綜合驗證后的固IP核,③可編程的專用集成電路(ASIC)器件;④由ASIC版圖生成的硬IP核;⑤由代工廠生產的ASIC芯片。

(2)SoC集成設計環境

  典型的SoC集成設計環境如圖3所示。此集成環境是一種典型的軟硬協同設計集成環境(或平臺)。在此集成設計環境的設計流程中,也可以生成五種不同類型的產品:①經過功能驗證后的軟IP核;②經邏輯綜合驗證后的固IP核,③可編程的片上系統(SoPC)器件;④由SoC版圖生成的硬IP核;⑤由代工廠生產的SoC芯片。

  片上系統(SoC)設計所需要的EDA工具,若從硬件設計角度看,在設計流程的前端設計與ASIC設計差別不大;但是,從整個芯片設計角度出發,這兩種類型的芯片設計有較大區別。這是因為在SoC設計中,一般都含有微處理器核,所設計的系統級芯片都必須具備有設備驅動程序與操作系統或嵌入式實時操作系統接口,并且具備有應用程序完成數字計算、信號處理變換、控制決策等功能。因此,在設計的前期,要軟、硬件協同設計,確定哪些功能是由硬件完成的,哪些軟件功能是由軟件完成的,需要進行一個適當劃分。在設計的中后期,要進行軟硬件協同驗證,即把軟硬件設計放到一個虛擬的集成環境中進行仿真驗證,以便驗證硬件的性能是否達到設計目標,軟件功能是否實現設計要求。

3 綜合型電子系統EDA集成開發環境

  典型的綜合型電子系統EDA集成開發環境如圖4所示,通常稱其為整機型或混合型電子系統EDA集成開發環境。這種類型集成開發環境綜合集成了芯片級和板級電子系統設計的EDA工具,可以完成如下三個方面工作:印刷電路板(PCB)設計、專用集成電路(ASIC)芯片設計和片上系統(SoC)芯片設計。在此集成開發環境中,PCB設計平臺完成經典的板級電子系統設計工作,ASIC設計平臺完成專用集成電路芯片設計工作,SoC設計平臺完成現代芯片級電子系統設計工作,而PLD設計平臺完成可編程型的ASIC和SoC芯片(包括CPLD/FPGA、SOPC等芯片)的設計工作。

4 電子系統EDA集成開發環境比較分析

  無論是板級電子系統EDA集成開發環境,還是芯片級電子系統EDA集成開發環境,都不能全面地反應現代電子系統設計的實際現狀,即在板級電子系統設計中存在有專用芯片設計問題,而在芯片級電子系統設計中存在印刷電路板(PCB)設計問題。存在這一實際問題的主要原因有如下兩個方面:①在板級電子系統設計中,為了某種特殊需要(如簡化系統邏輯設計、縮小PCB體積、提高系統的運行速度和可靠性等),或特殊功能要求(如特殊算法功能、特殊的數字信號處理功能等),需要采用一些用戶自行設計的專用芯片,特別是可編程專用芯片。因此,在板級電子系統集成開發環境中需要融入芯片級電子系統設計的EDA工具。②在芯片級電子系統設計中,就目前的技術現狀而言,即使是系統級芯片(SoC),由于集成電路規模和集成電路技術的限制,不可能把整個實際的電子系統電路完全集成在一個芯片內,需要把不能集成在芯片內的功能用另一個或多個芯片或器件來實現,而把多個芯片組合成一個電子系統就需要通過PCB,這就需要在芯片級電子系統集成環境中嵌入板級電子系統設計的EDA工具。正是基于上述原因,在綜合型電子系統集成環境中,通常需要在板級電子系統EDA集成開發環境中融入芯片級電子系統設計的EDA工具,而在芯片級電子系統EDA集成開發環境中嵌入板級電子系統設計的EDA工具,因此稱之為“綜合型或混合型電子系統EDA集成開發環境”。這種綜合型電子系統集成開發環境,是目前EDA工程技術的一種發展趨勢。雖然,從表面上看,綜合型電子系統集成環境只是板級電子系統EDA集成開發環境和芯片級電子系統EDA集成開發環境的一種組合,但是其與簡單的組合有著本質的差別。這種差別源于EDA集成環境中的一個重要概念——EDA系統的框架結構。

  EDA系統框架結構是一套創建電子系統集成設計環境和使用EDA工具軟件的規范,能將來自不同EDA廠商的EDA工具軟件進行優化組合,集成在一個易于管理的統一環境之下,支持任務之間、項目之間、設計工程師之間的信息傳輸和工程數據共享。這是并行設計工作和自頂向下設計方法的基礎,也是構建電子系統集成設計環境或集成設計平臺的基本規范。目前,主要的EDA系統都建立了框架結構,并且它們都遵循國際計算機輔助設計框架結構組織——CFI(CAD Framework International)的統一技術標準。

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