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EDA教学内容探讨与实验装置选型分析

时间:2006-02-23 15:05来源:教育装备采购网 作者:bioguider 点击: 263次

    作者简介 付慧生,副教授,工学硕士,1952年生,1982年毕业于中国矿业学院,现任中国矿业大学信息与电气工程学院副院长,系中国煤炭学会通讯与计算机分会会员,苏鲁皖高校电子技术教学研究会理事、徐州通讯学会副主任委员,教育部世界银行贷款“高等教育发展项目”专家组成员。多年从事电子信息技术的数学与科研工作,学术研究方向为电子监控、EDA设计。承担多项科研与教学项目,获省部级奖励2项,编写专著与教材2本,发表学术论文16篇。

    摘 要 本文在综述了EDA技术发展状况和国内高等院校开展EDA技术教学的需求之后,介绍了几种典型的EDA教学软件的特性,给出了高校开展EDA技术教学在软件系统选择的建议,并对与之相配合的硬件实验系统提出了功能要求和选型参考。
    关键词 EDA技术 软件系统 CAD CAE 系统仿真 本科教学



    EDA(Electronic Design Automation即电子设计自动化)技术是一门综合了现代电子与计算机技术最新研究成果、以计算机为工作平台对电子线路、系统或芯片进行自动化设计与应用的计算机辅助设计技术。随着现代半导体精密加工技术发展到深亚微米(0.18~0.35um)阶段,基于大规模或超大规模集成电路技术的定制或半定制ASIC(Application Specific IC即专用集成电路)器件大量涌现并获得广泛的应用,使整个电子技术与产品的面貌发生了深刻的变化,极大地推动了社会信息化的发展进程。而支撑这一发展进程的主要基础之一,就是EDA技术。没有EDA技术,人们将无法有效设计现代复杂电子系统和LSI芯片,也就不会有现代半导体产业的今天。
    1 在高校电类专业本科教学中进行EDA教学的意义
    既然现代电子技术与产业已发展到了必须普及掌握EDA技术的阶段,那么高等教育就应适应电子技术的这种发展趋势,为满足社会与产业对EDA技术人才的不断需求而培养出大批既懂通用电子技术又熟悉现代EDA技术的高层次建设人才。因此在高校电类专业本校教学中开展EDA教学是很有必须和重要的。只有在我国高校培养出来的电气、电子工程师普遍掌握了EDA技术、具备了面向某一应用领域设计、使用定制或半定制ASIC器件的时候,我国电子技术及产业的发展水平才可能逐步缩短与工业发达国家的技术差距,并带动国民经济技术水平赶上并达到世界先进水平。
    对于在高校电类专业本科教学中应该普及、推广EDA教学的观点,目前在我国理工科高等院校中已获得普遍的赞同与共识。许多高校已开始重视这个问题,投入了一定资金和人力来开展EDA技术的教学。但据了解,由于资金及师资条件等方面的种种原因,许多高校在开展EDA教学中的步伐和进展各有差异,鉴于此状况,各校间需要多相互交流和借鉴,使EDA在我国高校电类本科专业的教学中尽快得到推广,使学生获得先进的电子技术与工程训练,提高学生的专业素质,适应电子科技与产业发展需要。我们应对EDA教育进行长期与全面的规划,强化在EDA教学方面的经费投入,以创建必要且先进的EDA硬、软件教学环境,推动EDA教育在高校中深入普及的开展,培养造就大批具备现代EDA技术能力的电子科技人才。
    2 高校EDA教学内容与软件选型
    要搞好高校的EDA教学,首先应确定EDA教学中应具有的内容。
    一般认为,EDA技术中至少应包括如下内容:
    (1)电子设计CAD(Computer Aided Design即计算机辅助设计)部分。这一部分包含了在计算机上进行电路图的输入、存储及PCB版图设计的EDA软件工具,从而使人们摆脱了用手工进行电子设计时的大量繁重、重复、单调计算与绘图工作,并逐步取代人工进行电子系统的设计、分析与仿真。
    (2)电路和系统的仿真分析与设计部分。在这一部分中,人们利用EDA软件仿真分析工具来对所设计的电路和系统进行功能验证或时序分析,以节省设计时间和设计费用,提高设计效率。在现代电子设计中,仿真分析与设计是一个很重要的环节。
    (3)电子设计CAE(Computer Aided Engineering即计算机辅助工程)部分。在这一部分中人们已将各种电子线路设计工具如电路图输入、编译与连接、逻辑模拟、仿真分析、版图自动生成及各种单元库都集成在一个CAE系统中,以实现电子系统或芯片从原理图输入到版图设计输出的全程设计自动化。利用现代的CAE系统,设计人员在进行系统设计的时候,已可以把反映系统互连线路对系统性能的影响的因素如板级电磁兼容、板级引线走向等影响物理设计的制约条件一并考虑进去,使电子系统的设计与开发工作更贴近产品实际,更加自动化、更加方便和稳定可靠。
    目前国际著名的EDA公司如CADENCE公司、MENTOR公司、SYNOPSYS公司,HP公司等,都有全系列的专业EDA软件产品(如CADENCE的SPW系统、HP的EESOF等,后者可支持高达25GHz的射频系统板级开发和仿真设计。这些专业EDA软件产品功能强大但价格昂贵(几万到几十万美元一套),一般难以在大学本科教学中普遍使用。
    从上述EDA技术包含的内容可以看出,我国高校电类专业(不含微电子专业)的EDA教育应包括如下几个部分:
    2.1 电子线路CAD设计
    即教育学生掌握电子线路CAD技术,能够在计算机上实现电路图输入与设计、PCB版图设计及校验。各校使用的设计工具一般都是著名的电路图与PCB版图设计软件Protel(Tango)或OrCAD。目前随着这类电子线路CAD软件版本的提高及向WINDOWS系统的转移,软件的功能也在增强,这就需要课程教学跟上软件发展的步伐,及时更新软件系统和教学内容。
    2.2 电路和系统分析与仿真设计
    在现代电子线路和系统的设计过程中,仿真分析是节省设计时间、节约设计费用、提高设计效率必不可少的一个重要环节。因此在我国高校的EDA教育中,应注意开展电子线路与系统仿真设计的教学。目前国外已有很多性能良好的电路和系统分析、设计、仿真工具,它们提供了大量的元件、工具库以及多种在屏虚拟测试仪器,可进行数模混合仿真和多种电路分析,一旦电路或系统设计、仿真结束,就可根据设计结果迅速进行PCB版图的自动布线,完成PCB的设计。在这方面典型的仿真设计软件有:加拿大Interactive Image Technologies公司的Multisim、UltiBoard(其前身即是著名的Electronics Workbench),美国OrCAD公司的OrCAD for WINDOWS等。
  Multisim、UltiBoard软件包由于具有操作简单易学、工作界面直观、功能强大的特性,受到了人们的普遍青睐。尤其是它的可直接从屏幕图形中调用电路器件与测试仪器的特点和模/数电路混合仿真的功能,使其成为电工、电子课程教学与实验的一个很好的软件教学工具。MultisimV6.2以上的版本还能提供数字设计的VHDL语言支持和RF功能设计支持。
在著名的OrCAD软件中,由于OrCAD公司收购了SPICE的原始研制厂家,将其揉合在OrCAD for WINDOWS中,使其不仅是一个更专业化的电子设计CAD系统,也成为了一个具有较强大功能的数、模混合电子线路仿真分析系统,它将一切设计和仿真都集成在电路原理图设计窗口中,可提供多达120万个元器件的设计资料数据,是号称PC级最强大的电子线路设计CAD系统和数、模仿真分析系统。
  更高级的EDA仿真软件由于其专业性和高价格,如CADENCE公司的专业EDA软件SPW、HP公司的EESOF软件(可支持高达25GHz的射频系统板级开发和仿真)等,使其已归类于第四代EDA开发工具,它们功能强大但价格昂贵(几万到几十万美元一套),是专业ASIC设计的工作平台,在系统仿真方面,有些系统仿真软件能为用户提供一个完整的动态系统设计、仿真与分析的可视化软件环境,能进行模拟、数字、数模混合系统、线性和非线性系统的分析设计,可对线性系统进行拉氏变换和Z变换分析。并提供开发各种系统的模拟和数字工具。包括数字信号处理、通信、控制以及构造通用数学模型。使设计人员能够设计、开发和测试子系统,而且能全面地从头到尾集成系统。可提供有模拟、数字、混合模式系统的开发;线性和非线性系统设计;Laplace和Z变换线性系统。而大量通信、逻辑、DSP和射频/模拟设计库可帮助设计人员灵活进行系统设计。这方面美国ELANIX公司1995年推出的SystemView软件系统仿真就是一个良好的设计工具,该软件系统尤其适合用于通讯系统的理论教学与实验。
  2.3 CPLD/FPGA技术的教学
  在电类专业本科阶段普及推广CPLD/FPGA技术的教学,将使学生在学完基础数字电子技术之后,能够熟悉并掌握现代大规模可编程逻辑器件的设计、仿真及开发应用技术,以跟踪现代数字电子技术发展、应用潮流与趋势,为他们毕业后能迅速适应专业工作需求打好扎实的技术基础。在这一方面,选择好恰当的可编程逻辑器件的类型、型号和开发系统是至关重要的。一般要求所选择的可编程器件应是国际主流应用系列,芯片应有足够功能与集成度;相应的CPLD/FPGA开发系统除应具备较强大的开发功能外,还应该较为简单易学,适合本科教学的时间与功能需求。虽然目前市场上百万门级的超大规模CPLD/FPGA器件已经问世,但从目前本科教学的需求来说,采用10000门集成度的芯片是较为恰当的。因为该档次的芯片不仅有较高的性能价格比,用该档次芯片构成的片上系统的功能也基本能满足一般教学的需求。至于是应选择Altera公司、Xilinx公司或Lattice公司、AMD公司芯片及其相应的开发系统,则属见仁见智的问题。但前两家公司作为世界上最大的两家CPLD/FPGA芯片生产厂家,其产品的类别是最多的,两家公司合计的市场占有份额超过世界市场总份额的50%,应该说它们的产品和开发系统在技术上是领先的。
  在高校本科教学中,除应考虑技术先进、市场主流等因素外,公司对学校教学的支持程度及其开发系统的开放性也是一个需考虑的关键因素。否则许多学校会由于经费问题而只能使用功能不全的评估版或试用版开发系统,以致影响到教学工作的顺利进行。对Altera公司,它们对大学教学设计了一种学生版CPLD开发系统(Student Version),它是该公司免费的基本版MAX+PLUSⅡ的一个超集,目前最新的版本为V9.23。学生版CPLD开发系统支持的芯片类型与数量比基本版MAX+PLUSⅡ多,可开发常用的MAX7000系列芯片和MAX9320、FLEX8282、FLEX10K10等芯片的全功能开发。只是限制了可用芯片的集成度(一般不超过2.5万门)。这对我们进行本科CPLD/FPGA的教学影响并不太大。
  在2001年6月完成的教育部使用世界银行贷款进行的“高等教育发展项目”第一期设备采购中,对CPLD/FPGA开发系统提出的主要招标性能要求是:1可对集成度大于90万门的CPLD/FPGA进行设计、开发与仿真;2具有完整的设计环境和系统开发能力;3要求支持图形输入、语言输入、波形输入,状态机输入工作方式;4编译速度快,自动错误定位,自动适配与综合;5具有功能仿真,定时仿真,时序分析能力;6支持用编程器编程和在系统编程,支持JTAG输出与Jam编程语言;7支持与其它EDA工具的接口:提供对流行EDA工具的完整接口;8带有设计库:包括逻辑单元库,通用单元库,VHDL库,LPM库(参数化模块库),宏功能库。
该项目的采购招标已由美国Altera公司的CPLD开发系统MAX+PLUSⅡ和QUARTUS中标,MAX+PlusⅡ支持不超过25万门级芯片的设计开发,而QUARTUS用于25万门以上集成度芯片的设计开发。Altera公司并承诺提供免费的全功能教育版CPLD开发系统开发系统。
  3 对CPLD/FPGA硬件实验装置的功能要求和选型建议
  与电子线路仿真和CAD设计不同,在高校开展CPLD/FPGAEDA教学除应具有计算机和软件开发系统之外,还必须具有硬件实验条件。目前在我国高校使用的许多CPLD/FPGA硬件实验装置一般都把CPLD/FPGA芯片下载和实验装置固定组合在一齐,这样做虽然有使用方便的优点,但其缺点也是明显的。这表现在:1使用的CPLD/FPGA芯片集成度较低(< 6000门级),难以进行较复杂的系统级电路设计;2使用的CPLD/FPGA芯片管脚数量有限,通常不超过84脚。很易出现芯片功能未用尽而I/O引脚已不够使用的情况。此时不得不为CPLD/FPGA芯片配置外加的译码芯片,否则只好对使用的I/O引脚数量加以限制。这将妨碍CPLD/FPGA芯片功能的发挥,部分丧失了使用CPLD/FPGA芯片的优点和特点;3由于CPLD/FPGA芯片是固定设计在实验装置上面,用户将不能对所使用的CPLD/FPGA芯片进行更新与升级。限制了用户对CPLD/FPGA芯片选择自由;4某些实验装置甚至没有为FPGA芯片设计断电功能维持电路。
  为提高国内高校CPLD/FPGA实验装置的设计档次和技术水平,在世界银行贷款“高等教育发展项目”设备招标采购中,对CPLD/FPGA实验装置提出的技术要求是:1CPLD/FPGA下载板与实验板分开;2实验板可支持2家以上国际知名CPLD/FPGA厂商的主流芯片;3要求下载板:配合CPLD/FPGA开发系统工作;可与实验板协同进行实验,下载接口做在板上;板上CPLD/FPGA芯片的可用门数≥6000门,使用普通的通讯电缆;芯片下载次数≥1000次,具有断电后芯片功能保持能力,除非再次进行数据下载;所用芯片应容易买到,工作时不要求其它硬件条件;4要求实验板:与下载板配合工作,完成CPLD/FPGA实验;可与由多家国际知名CPLD/FPGA厂商(如Altera、Xilinx、Lattice公司)主流芯片构成的下载板配合工作;具有6个以上7段LED显示管,支持静态和动态(扫描)驱动;数字量输出:≥16个,发光二极管显示;数字量输入:≥16,使用按键式或DIP开关;提供时钟信号:≥4MHz;提供脉冲输出:≥2路,频率为1Hz到1MHz;下载通讯电缆长度:≥2m;支持≥40种CPLD/FPGA实验。
  在这种CPLD/FPGA实验装置中,最显著的特点是将CPLD/FPGA下载板与实验板分开,用户若要对所使用的CPLD/FPGA芯片进行更换或升级,只需简单的更换下载板就可以了。由于要求把芯片下载接口做在下载板,就避免了使用专用下载电缆的要求,使实验教学更为方便与简单。
  从上述招标技术与功能要求来看,满足此要求的CPLD/FPGA实验装置显然是新一代的CPLD/FPGA实验装置,人们在进行CPLD/FPGA实验装置选型时,不妨参考上述要求,以便保护设备投资,提高应用效益。目前国内已有多家厂商按此要求设计、制作了新一代的CPLD/FPGA实验装置,这为我们有效开展CPLD/FPGA技术的教学提供了较好的选择余地。

(责任编辑:泉水)
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