電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境框架結(jié)構(gòu)

摘要：EDA集成開發(fā)環(huán)境是電子系統(tǒng)開發(fā)必備的工具與手段。本文根據(jù)目前的EDA工具軟件及其套件結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)的開發(fā)需要，提出三種不同類型的典型EDA集成開發(fā)環(huán)境框架結(jié)構(gòu)——板級、芯片級和綜合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境框架結(jié)構(gòu)，并以圖示的方式進(jìn)行描述。

關(guān)鍵詞：電子系統(tǒng) 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA） 集成開發(fā)環(huán)境（IDE） SoC 框架結(jié)構(gòu)

引 言

　　電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)是指根據(jù)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，將設(shè)計(jì)流程中各個(gè)階段所需要的不同的EDA工具軟件集成在一個(gè)硬件平臺(tái)上，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的軟硬工作環(huán)境。在此環(huán)境中，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過文件方式在各個(gè)EDA工具之間流轉(zhuǎn)，就像工廠里生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品流動(dòng)一樣，直到產(chǎn)品生產(chǎn)全過程結(jié)束。

　　由于各個(gè)EDA工具開發(fā)商在不同的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)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(qiáng)，不僅具有算法級和寄存器傳輸級行為設(shè)計(jì)描述能力，而且還具有系統(tǒng)級行為設(shè)計(jì)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(shí)序仿真較為精確，設(shè)計(jì)的項(xiàng)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(yōu)秀的EDA工具，構(gòu)成超級的電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境是項(xiàng)目開發(fā)工程師首要的任務(wù)之一。通常，選擇優(yōu)秀的EDA工具有如下幾個(gè)約束條件：①EDA工具的使用授權(quán)限制；②設(shè)計(jì)語言、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)格式的兼容性；③EDA工具與計(jì)算機(jī)及其操作系統(tǒng)的兼容性問題；④設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)際需要的限制。

　　不同的設(shè)計(jì)對象，其EDA集成開發(fā)環(huán)境架構(gòu)有很大的差別。例如，在經(jīng)典的板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)在一塊印刷電路板(PCB)上來完成整個(gè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的基本素材的集成電路芯片；在現(xiàn)代的芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常是將許多的軟、硬知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核或電路模塊設(shè)計(jì)在一個(gè)超在規(guī)模集成電路芯片上來完成整個(gè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的基本素材是可復(fù)用的IP核或電路模塊。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始逐漸從經(jīng)典的板級系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代的芯片級系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的開發(fā)工作也逐漸從板上電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的基本構(gòu)件也從通用的IC轉(zhuǎn)為復(fù)用的IP。

　　本文根據(jù)目前的EDA工具軟件或套件的結(jié)構(gòu)，從電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)需要出發(fā)，把電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境分為三種類型：板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境、芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境和綜合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境，并且提出此三種類型的EDA集成開發(fā)環(huán)境的框架結(jié)構(gòu)，以便電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者從總體上了解和掌握電子系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境使用方法和構(gòu)造方法。

1 板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境

　　典型的板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境如圖1所示。此種類型的集成開發(fā)環(huán)境通常是由板級電子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境(即PCB集成設(shè)計(jì)環(huán)境)和軟件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境兩個(gè)部分構(gòu)成的。

　　任何一種板級電子系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩個(gè)子系統(tǒng)組成的，因此一個(gè)完整的板級電子系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，除了用于硬件系統(tǒng)開發(fā)的EDA集成設(shè)計(jì)環(huán)境外，還應(yīng)當(dāng)包括軟件實(shí)時(shí)仿真開發(fā)調(diào)試環(huán)境。對于低端的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)，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(yīng)用系統(tǒng)，通常是一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operating System)平臺(tái)(見圖1底部)。

2 芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境

　　芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境，也是一種集成電路(IC)EDA集成開發(fā)環(huán)境。在集成電路設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程需要不同的EDA集成開發(fā)環(huán)境。根據(jù)設(shè)計(jì)對象的不同，芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境可分為專用集成電路(ASIC)集成設(shè)計(jì)環(huán)境和片上系統(tǒng)(SoC)集成設(shè)計(jì)環(huán)境。這里需特別指出的是SoC和ASIC概念的區(qū)別。從電子線路的角度理解可以認(rèn)為：ASIC是一種具有某種特定功能的大規(guī)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(chǔ)器、外圍電路和軟件系統(tǒng)程序的自成系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路芯片。

(1)ASIC集成設(shè)計(jì)環(huán)境

　　典型的ASIC集成設(shè)計(jì)環(huán)境如圖2所示。由圖2可以得出，在此集成設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)計(jì)流程中，可以生成五種不同類型的產(chǎn)品：①經(jīng)過功能驗(yàn)證后的軟IP核；②經(jīng)邏輯綜合驗(yàn)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(chǎn)的ASIC芯片。

(2)SoC集成設(shè)計(jì)環(huán)境

　　典型的SoC集成設(shè)計(jì)環(huán)境如圖3所示。此集成環(huán)境是一種典型的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)集成環(huán)境(或平臺(tái))。在此集成設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)計(jì)流程中，也可以生成五種不同類型的產(chǎn)品：①經(jīng)過功能驗(yàn)證后的軟IP核；②經(jīng)邏輯綜合驗(yàn)證后的固IP核，③可編程的片上系統(tǒng)(SoPC)器件；④由SoC版圖生成的硬IP核；⑤由代工廠生產(chǎn)的SoC芯片。

　　片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)所需要的EDA工具，若從硬件設(shè)計(jì)角度看，在設(shè)計(jì)流程的前端設(shè)計(jì)與ASIC設(shè)計(jì)差別不大；但是，從整個(gè)芯片設(shè)計(jì)角度出發(fā)，這兩種類型的芯片設(shè)計(jì)有較大區(qū)別。這是因?yàn)樵赟oC設(shè)計(jì)中，一般都含有微處理器核，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級芯片都必須具備有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)或嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)接口，并且具備有應(yīng)用程序完成數(shù)字計(jì)算、信號處理變換、控制決策等功能。因此，在設(shè)計(jì)的前期，要軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，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(jìn)行一個(gè)適當(dāng)劃分。在設(shè)計(jì)的中后期，要進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，即把軟硬件設(shè)計(jì)放到一個(gè)虛擬的集成環(huán)境中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便驗(yàn)證硬件的性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，軟件功能是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

3 綜合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境

　　典型的綜合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境如圖4所示，通常稱其為整機(jī)型或混合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境。這種類型集成開發(fā)環(huán)境綜合集成了芯片級和板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA工具，可以完成如下三個(gè)方面工作：印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)、專用集成電路(ASIC)芯片設(shè)計(jì)和片上系統(tǒng)(SoC)芯片設(shè)計(jì)。在此集成開發(fā)環(huán)境中，PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)完成經(jīng)典的板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，ASIC設(shè)計(jì)平臺(tái)完成專用集成電路芯片設(shè)計(jì)工作，SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)完成現(xiàn)代芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，而PLD設(shè)計(jì)平臺(tái)完成可編程型的ASIC和SoC芯片(包括CPLD/FPGA、SOPC等芯片)的設(shè)計(jì)工作。

4 電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境比較分析

　　無論是板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境，還是芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境，都不能全面地反應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際現(xiàn)狀，即在板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在有專用芯片設(shè)計(jì)問題，而在芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)問題。存在這一實(shí)際問題的主要原因有如下兩個(gè)方面：①在板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了某種特殊需要(如簡化系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)、縮小PCB體積、提高系統(tǒng)的運(yùn)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(shù)字信號處理功能等)，需要采用一些用戶自行設(shè)計(jì)的專用芯片，特別是可編程專用芯片。因此，在板級電子系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境中需要融入芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA工具。②在芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，就目前的技術(shù)現(xiàn)狀而言，即使是系統(tǒng)級芯片(SoC)，由于集成電路規(guī)模和集成電路技術(shù)的限制，不可能把整個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)電路完全集成在一個(gè)芯片內(nèi)，需要把不能集成在芯片內(nèi)的功能用另一個(gè)或多個(gè)芯片或器件來實(shí)現(xiàn)，而把多個(gè)芯片組合成一個(gè)電子系統(tǒng)就需要通過PCB，這就需要在芯片級電子系統(tǒng)集成環(huán)境中嵌入板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA工具。正是基于上述原因，在綜合型電子系統(tǒng)集成環(huán)境中，通常需要在板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境中融入芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA工具，而在芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境中嵌入板級電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA工具，因此稱之為“綜合型或混合型電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境”。這種綜合型電子系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，是目前EDA工程技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。雖然，從表面上看，綜合型電子系統(tǒng)集成環(huán)境只是板級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境和芯片級電子系統(tǒng)EDA集成開發(fā)環(huán)境的一種組合，但是其與簡單的組合有著本質(zhì)的差別。這種差別源于EDA集成環(huán)境中的一個(gè)重要概念——EDA系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。

　　EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是一套創(chuàng)建電子系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境和使用EDA工具軟件的規(guī)范，能將來自不同EDA廠商的EDA工具軟件進(jìn)行優(yōu)化組合，集成在一個(gè)易于管理的統(tǒng)一環(huán)境之下，支持任務(wù)之間、項(xiàng)目之間、設(shè)計(jì)工程師之間的信息傳輸和工程數(shù)據(jù)共享。這是并行設(shè)計(jì)工作和自頂向下設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)，也是構(gòu)建電子系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境或集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的基本規(guī)范。目前，主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu)，并且它們都遵循國際計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)組織——CFI(CAD Framework International)的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。