现代数字系统设计

随着电子计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计技术深人人类经济生活的各个领域，电子CAD就是应用计算机辅助设计技术来进行电子产品的设计、开发、制造。电子系统的设计，根据采用计算机辅助技术的介入程度，可以分为3类：
第一类是人工设计方法，这是一种传统的设计方法，从方案的提出到验证和修改均采用人工手段完成，尤其是系统的验证需要经过实际搭试电路来完成。因此这种方法花费大、效率低，制造周期长。
第二类人和计算机共同完成电子系统的设计，这就是早期的电子CAD方法。借助于计算机来完成数据处理、模拟评价、设计验证等部分工作，即借助于计算机，人们可以设计规模稍大的电子系统，设计阶段中的许多工作尚需人工来完成。
第三类设计方法称为电子设计自动化（Electronic Design Automation，简称 EDA）。电子系统的整个设计过程或大部分设计均由计算机来完成。因此可以说EDA是电于CAD发展的必然趋势，是电子CAD的高级阶段。本书所介绍的现代数字系统的设计就是采用EDA技术进行设计。当然 ,这里的所谓 EDA主要是指数字系统的自动化设计,因为这一领域的软硬件方面的技术已比较成熟,应用的普及程度也已比较大。而模拟电子系统的EDA正在进入实用。此外,由于电子信息领域的全面数字化,基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。
现代电子系统设计领域中的EDA是随着计算机辅助设计技术的提高和可编程逻辑器件的出现应运而生并不断完善。可编程逻辑器件，特别是目前CPLD/FPGA的广泛应用，为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程，乃至设计观念。
EDA技术就是以计算机为工具进行电子设计。现代的EDA软件平台已突破了早期仅能进行PCB版图设计，它集设计、仿真、测试于一体，配备了系统设计自动化的全部工具：配置了多种能兼用和混合使用的逻辑描述输入工具；同时还配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真模拟工具。EDA技术借助于大规模集成的可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）和高效的设计软件，用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度；同时，这种基于可编程逻辑器件芯片的设计大大减少了系统芯片的数量，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。如今只需一台计算机、一套EDA软件和一片PLD芯片，就能在家中完成大规模集成电路和数字系统的设计。
目前大规模PLD系统正朝着为设计者提供系统内可再编程(或可再配置)的能力方向发展，即只要把器件插在系统电路板上，就随对其进行编程或再编程，这就为设计者进行电子系统设计和开发提供了可实现的最新手段。采用系统内可再编程的技术，使得系统内硬件的功能可以象软件一样地被编程来配置，从而可以使电子系统的设计和产品性能的改进及扩充变得十分简单。采用这种技术，对系统的设计、制造、测试和维护也产生了重大的影响，给样机设计、电路板调试、系统制造和系统升级带来革命性的变化。
传统的设计方法是都是自底向上的，即首先确定可用的元器件，然后根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成系统。而后经调试、测量看整个系统是否达到规定的性能指标。
(1) 这种"自下而上"的设计方法常常受到设计者的经验及市场器件情况等因素限制，且没有明显的规律可循。
(2) 系统测试在系统硬件完成后进行。如果发现系统设计需要修改，则需要重新制做电路板、重新购买器件，重新调试与修改设计。整个修改过程化费大量的时间与经费。
(3) 电路设计是原理图设计方式，而原理图设计的电路对于复杂系统的设计、阅读、交流、修改、更新、保存都十分困难，不利于复杂系统的任务分解与综合。
基于EDA技术的所谓自顶向下的设计方法正好相反，它首先从系统设计入手，在顶层进行功能划分和结构设计，并在系统级采用仿真手段验证设计的正确性，然后再逐级设计低层的结构，实现从设计、仿真、测试一体化。其方案的验证与设计、电路与PCB设计、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC）设计等都由电子系统设计师借助于EDA工具完成。自顶向下设计方法的特点表现在：
（1） 基于PLD硬件和EDA工具支撑；
（2） 采用逐级仿真技术，以便及早发现问题修改设计方案；
（3） 基于网上设计技术使全球设计者设计成果共享,设计成果的再利用得到保证。 现代的电子应用系统正向模块化发展，或者说向软硬核组合的方向发展。对于以往成功的设计成果稍作修改、组合就能投人再利用，从而产生全新的或派生的设计模块，同时还可以以一种IP核的方式进行存档。
（4） 由于采用的是结构化开发手段，可实现多人多任务的并行工作方式，使复杂系统的设计规模和效率大幅度提高。
（5） 在选择器件的类型、规模、硬件结构等方面具有更大的自由度。所谓分层次设计，是将设计层次分成5级，即印制系统级、寄存器传输级、门级、电路级和器件（板图）级。其中，系统是最上一层，是最抽象的设计层次，它将电子系统看作由一些系统部件组成，而各部件之间的连接可以是抽象的，只要表达清楚系统的体系结构、数据处理功能、算法等即可；寄存器传输级则以具有内部状态的寄存器以及连接寄存器之间的逻辑单元作为部件，重点在于表达信号的运算、传输和状态的转移过程；门级设计也就是逻辑设计，它以电路或触发器作基本部件，表达各种逻辑关系；电路级设计则以可看作分立的基本元件，具体表达电路在时域的伏安特性或频域的响应等性能；器件级又称为板图级，现代电路设计以板图级设计作为最底层次。
EDA软件平台的另一特点是日益强大的仿真测试技术，所谓仿真（simulate）就是设计的输入、输出（或中间变量）之间的信号关系由计算机根据设计提供的设计方案从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确逻辑和时序验证。测试技术是在完成实际系统的安装后，只需通过计算机就能对还能对系统上的目标器件进行所谓边界扫描测试。EDA仿真测试技术都极大地提高了大规模系统电子设计自动化程度。
现代数字系统设计内容非常广泛，系统功能日趋完善和智能化。基于网上设计的EDA技术，具有标准化的设计方法和设计语言，已经成为信息产业界的共同平台，成为数字系统设计的必然选择。