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电子技术的发展和应用
摘 要
电子技术是20世纪下半叶乃至21世纪发展最迅速、最活跃、最具渗透力的技术，已成为实现信息化社会的重要技术基础。电子技术水平发展如此迅速，在于它具有极大的市场应用需求。科学技术发展到今天，衡量许多产品技术含量高低在很大程度上取决于电子技术的引人水平。然而，孤立地发展电子技术是没有出路的，它必须同各种生产实践相结合，以社会需求为动力，在电子技术领域和其他各种技术学科领域的“结合部”开花结果，并取得重大突破。
关键词：电子技术；信息化
Abstract
Electronic technology is the 20 th century and even the 21 century most quick, the most active, the most pervasive technology, has become an important social informatization of the technical basis. Electronic technology’s development level is so quickly, it has great market application requirements. Science and technology development today, many products technology measure content discretion depends to a great extent on that of the electronic technology level. However, isolated development electronic technology is no way out, it must be combined with all kinds of production practice, take the social demand for power, and be in the electronic technology field and all kinds of other technology subject field \and significant breakthrough.
Keywords: electronic technology; information
正文
不同行业层出不穷的技术需求，使得对配套电子系统或部件的功能、可靠性、集成度、成本、设计周期的要求日益提高。随着时间的推移，科学研究与技术开发行为日益市场化，而远非纯粹的学术行为，这要求设计工作必须在较短的时间内出色完成，因此技术人员感到工作压力越来越大。显然，采用传统的电子设计手段完成复杂电子系统设计显得越来越力不从心了，传统的电子设计与实现手段受到极大的挑战。如果在激烈的技术产品竞争中仍沿用
老办法，很可能在竟争中处于被动落后的境地，例如，当设计比较复杂的电子系统时，要等到做完全部硬件实验才开始设计印制电路板，这样，设计周期必然会相应拉长；即使设计出印制电路板来，也很难保证它的电气连接全部正确、各个元器件参数合理以及完善的电磁兼容性能；如果需要设计实现的数字电路部分规模较大，仍习惯地利用中、小规模数字集成芯片实现，电路的集成度和可靠性在许多应用场合会受到很大限制，甚至根本无法满足要求。作为电路主体的器件，特别是集成电路器件功能越来越强大，集成度越来越高，传统设计方式已难以胜任。
随着计算机新技术的发展以及电子系统设计新需求的上升，电子电路的计算机辅助设计(ECAD)技术的发展取得了很大迸步，但设计人员仍然没有根本上从繁重的设计工作中解放出来。在浚计工作各个环节上，设计者必须担负系统设计、制订各环节的具体解决方案、验证设计等繁重工作，计算机及其软件依然作为设计人员的辅助工具，设计软件的自动化、智能化水平有很多不尽如人意之处，各设计环节之间的衔接不够流畅，需要大量的人工介人。实际上，在电子设计领域中，专业设计人员一直追求的是贯穿电子设计过程始终的最小人工花销、最强的自动化设计手段。正是在这种强烈的技术需求推动下，ECAD工具逐步演变为现代化的电子设计自动化EDA(Electronic Design Automation)工具。EDA是继ECAD之后新崛起的现代化电子设计手段，它与ECAD之间最明显的不同点在于：ECAD基本上是计算机辅助人完成设计，而EDA则是在人的操作引导下，大量复杂繁琐、费时费工的设计工作基本上由计算机完成，设计的自动化、智能化水平有了明显的飞跃。可以说，EDA代表着现代电子系统设计的技术潮流。
为什么要强调学习和掌握EDA技术及工具呢？简单地说，是由于技术竞争的需要，是新器件应用的需要，是提高设计规模、质量和效益的需要。目前，电子产品开发领域的竟争十分激烈，其产品的市场周期越来越短，这意味着电子产品的设计开发周期必须大大缩短，没有高效率的设计手段是无法参与市场竞争的。大规模集成电路，特别是以FPGA/CPLD为代表的大规模集成可编程逻辑器件(PLD)的相继出现，使电路设计者有可能在设计实现复杂数字系统时，用其代替传统的中、小规模标准数字IC，从而以“片上数字系统”代替传统的“板上数字系统”，要做到这一点，仅有PLD芯片是不够的，必须配备和掌握对其进行开发设计、仿真下载的EDA软件工具，才能把一个PLD“白”片转变为满足设计需求的数字系统。EDA工具的优势体现在复杂电路系统的设计上，其设计效率远远高于人工设计，而且可按照事先规定的设计规则随时迸行检查，及时提醒设计者出现的设计失误，设计质量得到保障，这自然会缩短周期、降低成本、提升竞争力，从而最大限度地提高经济效益。
利用EDA手段进行电子设计，必须有计算机和EDA软件工具的支撑。计算机主要分为工作站和PC机两类，EDA软件工具也分为基于UNIX操作系统工作站的EDA工具和基于Windows操作系统PC机的EDA工具。以往工作站统治了大型专业EDA工具，由于价
格相对低得多的PC机综合性能惊人地提高，用户拥有量迅速攀升，许多EDA厂商看到了这一新的商机，产业竞争十分激烈，并不断出现兼并重组和买断的商业行为。近年来，各种运行于PC机的EDA工具相继出现。目前70％－80％以上的FPGA/CPLD和PCB设计都是在PC机上完成的。在PC机上利用EDA工具进行电子设计，通常也称为EDA桌面设计(EDA desktop design)，此时的设计人员是在一个“EDA桌面设计环境”下进行工作。
目前，绝大多数销售的实用EDA工具基本由国外公司推出；同一个EDA软件常分为不同销售价格的版本，以满足不同用户的需求。国内多数电子设计专业人员基本可以接受的正版EDA软件工具，单用户商业价格通常在几干元至几万元人民币之间，在这个价格层面上基于Windows操作系统的EDA工具数量种类最多，并朝着普及化、集成化、多用途、多功能方向发展。一些典型的EDA工具还借助了工作站服务器的标准和体系结构，设计者可以十分方便地在同一EDA桌面集成设计环境下迸行多种功能模块间的自由切换、设计数据的内部与外部交换，从而完成从“设计需求”到“物理实现”的自动化设计过程。例如，目前流行典型的EDA桌面集成设计环境，通常由电气原理图设计输人、混合电路仿真分析、PLD设计、印制板(PCB)自动布线设计、信号完整性分析几个不同功能模块组成，大体涵盖了电子设计的主要环节。设计过程首先是根据设计需求建立设计电路，对于把握性不大的部分电路逆行仿真分析，凋整好电路组成和参数后，将生成的网络表导人PCB设计模块，自动生成规定的PCB设计文件，必要时可逆行信号完整性分析，对设计的PCB做电磁兼容性能评价。可见，这些设计环节如果都采用人工而不是EDA工具来完成，工作量之大、复杂度之高是难以想像的，一点工作疏忽都将会导致设计出现失误。
以往，对于一些电路设计人员，一提到“ASIC”便“谈虎色变”，认为那是微电子器件专业人员的“专利”，对这项新技术的认识存在误区。专用集成电路(ASIC：Application specific Integrated Circuit)就是应用于特定设计需求的半导体集成器件，它与标准IC器件的用途完全不同。按照电路功能分，ASIC可分为模拟ASIC和数字ASIC两类，模拟ASIC基本以全定制设计为主，数字ASIC大体可采用全定制设计、半定制设计和可编程设计。
“全定制(Full-Custom)”是一种基于晶体管级的ASIC设计方式，包括在晶体管的版图尺寸、位置及布局布线等技术细节上的精心设计，以期实现ASIC芯片面积的高利用率、高工作速度、低功耗等优越性能，全定制的芯片掩膜为3层以上布线结构。这种方式的设计周期长，设计费用较高，一般只适于大批量ASIC芯片的需求。
“半定制(Semi-Custom)”是一种约束性ASIC设计方式。半定制ASIC通常是利用IC器件厂家事先大批量生产的半成品母片，片上通常包含门阵列(Gata Array)和标淮单元(Standard Cell)。门阵列就是芯片内部等间隔地排列着以门为基本单位的阵列，一般采用留有一层或两层金属铝连线供编程定制使用的掩膜可编程门阵列(MPGA：Mask programmable Gate Array)，IC厂家负责用硬连线实现对MPGA的编程定制。半定制设计方式自动化水平
较高，设计周期短，费用相对较低，但芯片面积的利用率不如全定制高。Intel 80386CPU就是采用3块半定制ASIC芯片构成，包括一个14000门的标准单元和两个分别为8000门和10000门的门阵列。
近年来，大规模数字集成电路的发展很快，CPU的发展速度就是一个显著标志，同时大规摸集成的可编程逻辑器件发展速度也是惊人的，很多器件商，如Xi1inx、A1tera、AMD、Quicklogic、Lattice等推出了多种型号，包括从数干等效门到上百万等效门的FPGA/CPLD器件，从而为可编程数字ASIC设计提供了良好的基础。可编程数字ASIC设计方式已成为最流行、倍受电路设计工程师青睐的数宇ASIC设计方式。现场可编程逻辑门阵列(FPGA：Field Programmab1e GateArray)和复杂可编程逻辑器件(CPLD：Comp1ex Programmable Logic Device)是目前较为流行的两类大规模集成PLD。FPGA适合高技术含量的电子产品开发，如美国的“爱国者”导弹、Intel公司的Pentium芯片中都采用过FPGA技术。实现一个数字系统，可以利用微处理器，包括控制型单片机或高速DSP，同时也需要数字组合逻辑和时序器件。从数字系统集成的角度看，可编程数字ASIC设计是远比半定制还要方便的一种ASIC设计方式，况且目前PLD芯片的工作速度是很快的，芯片内部时延甚至只有几纳秒，有许多应用场合是微处理器所无法代替的。
图1给出了全定制ASIC和用FPGA实现可编程数字ASIC设计的设计流程及相关步骤的对比。
从图中可以看出，采用FPGA实现数字ASIC的各个设计环节不受IC生产厂家的约束，而完全可以由电路工程师自己驾御。与全定制数字ASIC设计相比，采用FPGA小批量实现数字ASIC的成本低、周期短，特别适合研发阶段使用。PLD设计开发过程中，设计输人和前仿真是基础设计环节，输人方式一般包括电路图、真值表、状态图、硬件描述语言HDL等输人方式，各种非HDL输入方式经设计转换成HDL文本后输人编译器编译，进行仿真调试，从而完成前仿真设计环节。例如，中国华大集团推出的PANDA2000中的VDE模块就是这样一个典型的前端设计环境。前端设计是不针对任何型号器件的逻辑时序关系设计，许多设计输出为标准工业格式的文件。后端设计需要配置某种型号的芯片，进行后仿真，最后对芯片进行下载。针对电子设计人员开发PLD的需求，许多PLD生产商相继推出了与自己芯片配套的专用EDA开发工具，目前相对比较普及的有Xilinx公司的Fundation ISE、A1tera公司的QUARTUS II、Quicklogic公司的QuickWorks、Lattice公司的IspLEVER等。目前的许多大型EDA集成设计环境中，基本都带有PLD设计模块。可以说，数字ASIC的可编程设计需求从一个侧面极大地推动了EDA工具的发展。