电子电路设计的理念与方法

传统的电子系统设计只能对电路板进行设计，通过设计电路板实现系统功能。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，电子系统的设计方法和设计手段发生了很大的变化，特别是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。利用EDA工具，采用可编程器件，可通过设计芯片实现系统功能。

将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片的设计中进行，这样不仅可以通过芯片设计实现系统功能，而且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。

数字、模拟、可编程器件、EDA技术为硬件系统设计者提供了强有力的工具，使得电子系统的设计方法发生了质的变化。传统的设计方法正逐步被新的设计方法所取代，而基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。

电子产品设计的基本思路一直是先选用CFULA450KB4Y-B0.html" target="_blank" title="CFULA450KB4Y-B0">CFULA450KB4Y-B0通用集成电路芯片，再由迭些芯片和其他元器件自下而上地构成电路、子系统和系统。这样设计出来的电子系统所用元器件的种类和数量均较多，体积与功耗大，可靠性差。随着集成电路技术的不断进步，可以把数以亿计的晶体管及几万门、几十万门甚至几百万门的电路集成在一块芯片上。半导体集成电路已由早期的单元集成、部件电路集成发展到整机电路集成和系统电路集成阶段。电子系统的设计方法也由过去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路系统的“自底向上”设计方法改变为一种新的“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实现，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，或者是用可编程ASIC(如CPLD、FPGA和ISP等)现场编程实现。

1．“自顶向下”设计方法在“自顶向下”的设计中，首先需要进行行为设计，确定该电子系统或VLSI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。接着进行结构设计，根据该电子系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，从而得到一个总体结构。这个结构可能包括算术运算单几、控制单元、数据通道、各式各样的算法扶态等。

下一步把结构转换成逻辑图，即进行逻辑没计。在这一步中，希望尽可能采用规则的逻辑结构或采用已经过考验的逻辑单元或模块。接着进行电路设计，逻辑图将进一步转换成电路图，在很多情况下须进行硬件仿真，以最终确定逻辑设计的正确性。最后进行版图设计，即将电路图转换成版图。

2．“自底向上”设计方法“自底向上”的设计一般是在系统划分和分解的基础上先进行单元设计，在单元的精心设计后逐步向上进行功能块设计，然后再进行子系统的设计，最后完成系统的总体设计。

所谓片上系统的设计，是将电路设计、系统设计、硬件设计、软件设计和体系结构设计集合于一体的设计。因此，可以说EDA转向片上系统是一次系统设计的革命。

对于电子系统设计自动化而言，现代设计方法和现代测试方法是至关重要的。当前，EDA包含单片机、ASIC(专用集成电路)和DSP(数字信号处理)等主要方向。无论哪一种方向都需要一个功能齐全、处理方法先进、使用方便和高效的开发系统。目前，世界上一些大型EDA软件公司已开发了一些著名的软件，如Protel和PSpice等。各大半导体器件公司也推出了一些开发软件，如Altera公司的MaxPlusII、Xilinx公词的Fundation等。随着新器件和新工艺的出现，这些开发软件也在不断更新或升级。

每个开发系统都有各自的描述语言，为了便于各系统之间的兼容，IEEE公布了几种标准语言，最常用的有VHDL和Verilog。由于VHDL和Verilog语言的优越性，各大半导体器件公司纷纷将它们作为开发本公司产品的工具，IEEE也于1995年将其定为协会的标准。这两种语言已成为从事EDA的工程师必须掌握的工具。

与开发工具同样重要的是器件，就ASIC方向而言，所使用的集成方式有全定制、半定制和可编程逻辑器件等。CPLD、ISP和FPGA普及的另一个重要原因是知识产权越来越被高度重视，带有IP内核的功能块在ASIC设计平台上的应用日益广泛。越来越多的设计人员采用设计重用，将系统设计模块化，为设计带来了方便，并可以使每个设计人员充分利用软件代码，提高开发效率，降低研发费用，缩短开发周期，减少上市时间，降低市场风险。

同时，通用集成电路和分立元器件的种类、功能、性能指标的发展也为现代电子设计提供了更大的选择余地和便利。

总之，基于现代电子器件和现代电子开发系统的现代电子设计理念是每个从事电子设计的工程技术人员必须掌握的。