EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是怎么樣的？標準化現(xiàn)狀如何？

設(shè)計工具產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式的一致性對設(shè)計結(jié)果的交換和共享極為重要，數(shù)據(jù)格式的一致性通過標準保證，對的底層技術(shù)、軟件之間的接口以及數(shù)據(jù)格式等標準的發(fā)展情況進行了綜述和分析。我國在世界集成電路設(shè)計占有越來越舉足輕重的作用，EDA技術(shù)的標準化刻不容緩，EDA技術(shù)的國際標準化以及國內(nèi)標準化必將大大促進我國集成電路行業(yè)的發(fā)展。

電子設(shè)計技術(shù)的核心是EDA（electronic design automation，電子設(shè)計自動化）技術(shù)，EDA是指以計算機為工作平臺，融合電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化技術(shù)等研制成的電子CAD通用軟件包，主要輔助進行IC設(shè)計、電子電路設(shè)計和PCB設(shè)計等。EDA技術(shù)已有30多年的發(fā)展歷程，大致可分為20世紀70年代的計算機輔助設(shè)計（CAD）階段、80年代的計算機輔助工程（CAE）階段和90年代后的電子系統(tǒng)設(shè)計自動化（EDA）階段，其功能越來越強大，相應(yīng)對標準化的要求也越來越高。

隨著半導(dǎo)體工藝的進步，集成電路設(shè)計環(huán)境出現(xiàn)了工藝技術(shù)進步速度大于EDA工具進步的現(xiàn)象。面對超大規(guī)模ASIC的設(shè)計，業(yè)界有兩種傾向：一是提高設(shè)計的抽象層次，降低設(shè)計的復(fù)雜度，這主要由EDA工具的發(fā)展來帶動，較顯著的是行為級綜合工具的出現(xiàn);二是提高設(shè)計的粒度，采用可復(fù)用的IP核，進行系統(tǒng)的集成。這都引發(fā)了EDA工具和EDA設(shè)計過程、設(shè)計結(jié)果新的標準化問題。

目前，EDA工具眾多，在給予設(shè)計者眾多選擇的同時，也會導(dǎo)致設(shè)計平臺失去一致性，阻礙了設(shè)計結(jié)果的數(shù)據(jù)交換和共享，這也成為集成電路和EDA工具發(fā)展的障礙。芯片復(fù)雜程度越高，對EDA的依賴也越高，如果缺乏EDA的底層技術(shù)及其接口的標準化，就不能很好地對涉及結(jié)果進行交換、共享及重用。

1 EDA設(shè)計平臺標準

廣泛應(yīng)用于EDA的設(shè)計平臺主要有兩個：一是運行在各類UNIX系統(tǒng)下的桌面高端服務(wù)器型工程工作站;二是運行在各類微軟Windows操作系統(tǒng)下的桌面型PC機。復(fù)雜的芯片設(shè)計多采用UNIX工作站完成，而基于Windows系統(tǒng)的PC機多用來完成PCB設(shè)計、FPGA和可編程IC設(shè)計和一些底端的ASIC設(shè)計（用于設(shè)計過程中的所選擇的一部分）。較流行的EDA軟件平臺是UNIX工作站，其中受歡迎的計算環(huán)境主要包括：SunSoft的Sun操作系統(tǒng)（正在過渡到Solaris更新的版本），Hewlett Packard HP-UX，IBMAIX，DECOSF/1等。由于Windows平臺的易用性，它越來越受到設(shè)計者的青睞。

IEC/TC93的EDA標準路線圖專題研究組下的EII（EDA互操作和集成）小組認為對CDE（通用桌面工作環(huán)境）中的用戶界面，Windows和Macintosh之間已經(jīng)有足夠的一致性，這個方面已不存在尚未解決的重要問題，計算環(huán)境和用戶界面的標準推薦采用UNIX平臺上的CDE環(huán)境以及Windows平臺上的windows圖形用戶界面。

2 硬件描述語言及接口標準

2.1 硬件描述語言標準

硬件描述語言（hardware description language，HDL）用軟件編程的方式來描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式。目前典型的硬件描述語言有VHDL，Verilog，SystemC等。美國硅谷較流行使用VerilogHDL，而歐洲則較多使用VHDL。另外還有AHDL，用C/C++作為系統(tǒng)級設(shè)計語言則是一個新興的方法，Superlog，CynlibC++等新的硬件描述語言隨著系統(tǒng)級FPGA以及SoC的發(fā)展、軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計的需求也發(fā)展了起來。

早期的硬件描述語言，如ABEL，HDL，AHDL，由不同的EDA廠商開發(fā)，互不兼容，而且不支持多層次設(shè)計，層次間翻譯工作要由人工完成，效率低下且容易出錯。為了克服以上不足，1985年美國國防部正式推出了高速集成電路硬件描述語言VHDL，1987年IEEE采納VHDL為硬件描述語言標準（IEEE1076-1987），第二個版本是在1993年制定的（VHDL-93）。VHDL同時也是軍事標準（454）和ANSI標準。作為一種硬件描述語言標準，VHDL為眾多的EDA廠商支持，且移植性好。

VerilogHDL的使用也非常普遍，其對電路控制的靈活性方面它的效率比VHDL要高。在美國、日本等國Verilog語言的使用率要遠高于其他語言。VerilogHDL在1995年成為IEEE標準（IEEE13641995），2001年發(fā)布了IEEE1364-2001，目前正在進行新的修訂（IEEE1364-2005）。由于Accellera標準組織決定將SystemVerilog3.1a（SystemVerilog是VerilogHDL系統(tǒng)級擴展版）捐獻給新的IEEE工作組，而不是原先負責(zé)Verilog標準化的IEEE1364工作組，因此可能會導(dǎo)致兩個Verilog標準化工作，即IEEE1364-2005和IEEE1800，這也許會影響Verilog語言的標準化，破壞該語言的統(tǒng)一性。 SystemVerilog于2004年獲得了PAR（Project Authorization Request，項目授權(quán)請求）編號，由IEEE開展的標準化活動已經(jīng)開始。據(jù)Accellera會長丹尼斯·布羅菲（DennisB.Brophy）介紹，SystemVerilog預(yù)計將在2005年內(nèi)成為取消“P”字的IEEE正式標準。

作為兩大標準的硬件描述語言，VHDL和VerilogHDL的互操作性非常重要，曾經(jīng)VHDL和Verilog的相應(yīng)的國際組織VI（VHDL國際組織）、OVI（Open Verilog International，開放Verilog國際組織，1999年成立）努力協(xié)調(diào)VHDL和Verilog的互操作問題。2000年，VI和OVI這兩個擁有豐富標準制定程序經(jīng)驗的組織合并成立了Accellera。Accellera正在進行Assertion屬性描述語言“PSL”的標準化工作———IEEE1850，PLS預(yù)計也像SystemVerilog一樣在2005年內(nèi)成為IEEE標準。

2.2 硬件描述語言與設(shè)計分析工具的接口標準

詳細設(shè)計階段包括面向給定工藝的詳細邏輯設(shè)計（RTL描述）和物理設(shè)計（版圖設(shè)計）。邏輯設(shè)計階段創(chuàng)建和分析詳細的邏輯，進行設(shè)計功能仿真、時序驗證、可靠性分析以及給定邏輯的預(yù)布局及散熱分析、功耗估計。物理設(shè)計是在版圖設(shè)計規(guī)則和各種約束條件的指導(dǎo)下，設(shè)計的邏輯描述被物理綜合為具體的版圖數(shù)據(jù)，對整個版圖的各種規(guī)則、寄生效應(yīng)和時序進行分析（跨越設(shè)計層次、分層次互連模型、分層次寄生參數(shù)提取和建模的精確時序分析），對設(shè)計的質(zhì)量和可靠性進行分析和度量（信號質(zhì)量分析、能量網(wǎng)格分析、散熱分析、功耗分析）。

在這方面，有許多國際標準和事實標準在使用，包括EDIF（ElectronicDesignInterchangeFormat，電子設(shè)計交換格式，EDIF4.0.0現(xiàn)在已經(jīng)成為EDA標準，許多EDA開發(fā)商如Mentor，Candence等都已采用。EDIF4.0.0實際上是EDA建模的新方法，為一種語言描述形式），CFIDR，PDEF，DEF，SPF，SDF等。EDIF，CFIDR和PDES（STEPAP210）都不同程度地處理邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果。但是，目前還沒有適當?shù)臉藴誓軌蝾愃艵DIF的處理途徑以一致的方式用于邏輯連接，以支持基于文件的數(shù)據(jù);也沒有適當?shù)臉藴誓軌蛞砸恢碌姆绞接糜陬愃艱R處理途徑的編程接口。對于芯片的物理設(shè)計數(shù)據(jù)也沒有標準，雖然EDIFPCB/MCM被MCMASEM聯(lián)盟選作MCM物理設(shè)計數(shù)據(jù)的標準，但用于MCM物理設(shè)計數(shù)據(jù)的標準需要在EDIF中繼續(xù)完善。CFI（CADFrameworkInitiative，CAD系統(tǒng)框架委員會，1988年在美國成立）組織正在通過EDIF匯聚成標準信息模型（最終通過PDES匯聚成通用的信息模型）。

2.3 邏輯連接標準

開發(fā)通用核心信息模型主要目的之一是處理邏輯互連，所有與邏輯互連有關(guān)的詳細設(shè)計工業(yè)標準都應(yīng)該是這個信息模型的一部分，這樣，各種各樣的工業(yè)信息模型就可以從這個標準而來。

當前業(yè)界使用的相關(guān)標準有EDIF，PCM/MCM，CFIDR等。EDIF綜合了多種格式中的最佳特性，1985年的EDIF1.0.0版本提供了門陣列、半導(dǎo)體集成電路設(shè)計和布線自動化交換信息的格式，而后的EDIF2.0.0版本是不同EDA廠家之間交換設(shè)計數(shù)據(jù)的標準格式，EDIF4.0.0由EIA（Electronic Industries Association，電子工業(yè)協(xié)會）發(fā)布為標準，EDIF4.0.0成員大多是世界上著名的EDA供應(yīng)商及一些電子行業(yè)有影響力的協(xié)會等，主要由EIA，IPC，曼徹斯特大學(xué)（Universityof Manchester），Mentor Graphics，Solectron和Hadco Santa Clara等機構(gòu)與組織組成。CFI解決的是不同EDA廠家工具集成和實時通信問題，EDIF格式解決的是用不同EDA廠家工具完成設(shè)計的數(shù)據(jù)交流問題。

2.4　測試矢量標準

測試矢量標準既有許多正規(guī)的國際標準，又有許多事實上的標準，正規(guī)的標準包括WAVES（IEEE1029.1），DTIF（IEEE1029.4）以及新的DASC協(xié)議。事實標準如SummtDesign，Teardyne，許多公司也建立了自己的內(nèi)部格式標準。測試矢量規(guī)范的標準需要解決數(shù)字測試矢量如何從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式的問題。

3 EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

EDA系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)（Framework）是一套配置和使用EDA軟件包的規(guī)范。目前主要的EDA系統(tǒng)都建立了框架結(jié)構(gòu)，如Cadence公司的Design Framework，Mentor公司的Falcon Framework，這些框架結(jié)構(gòu)都遵守CFI組織制定的統(tǒng)一技術(shù)標準?？蚣芙Y(jié)構(gòu)能將來自不同EDA廠商的工具軟件進行優(yōu)化組合，集成在統(tǒng)一環(huán)境之下，而且還支持任務(wù)之間、設(shè)計師之間以及整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息傳輸與共享，是并行工程和自頂向下設(shè)計方法的實現(xiàn)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)框架為各種EDA工具提供一個公用運行操作環(huán)境的軟件系統(tǒng)，包括程序庫、擴展語言版本管理、設(shè)計方法和設(shè)計流程管理、用戶界面等。通過框架，用戶可對各種EDA工具實施管理，掌握設(shè)計執(zhí)行過程，創(chuàng)建、組織和管理數(shù)據(jù)。EDA系統(tǒng)框架的基本內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)管理、設(shè)計方法管理、設(shè)計流程管理和用戶界面4部分。1993年CFI正式頒布了CFI1.0框架規(guī)范和相應(yīng)的規(guī)范遵從審核程序。CFI框架體系標準解決了實時的工具通信、工具嵌入方式和設(shè)計描述，使用戶能夠混合和匹配來自不同EDA廠家的工具，構(gòu)成集成的設(shè)計環(huán)境。

3.1　EDA工具間的通信標準

集成電路設(shè)計規(guī)模的擴大、公司全球化的發(fā)展，要求EDA工具提供支持基于網(wǎng)絡(luò)的地理位置分散的開發(fā)環(huán)境，各應(yīng)用工具可以通過信息進行交互，以組成橫跨世界范圍的網(wǎng)絡(luò)。通過最大化工具間的通信和協(xié)同工作能力來縮短設(shè)計周期，而不是連續(xù)的文件翻譯和整個設(shè)計部分的轉(zhuǎn)移。這要求EDA設(shè)計工具具有較高的獨立性，以獨立于其他的支持EDA的技術(shù)如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）技術(shù)，各種EDA工具能夠以特定的方式與PDM系統(tǒng)通信。

ToolTalk通信工具（包含在CDE中）已被CFI認可作為工具間通信機制標準。然而，僅有通用的通信工具還不夠，各種應(yīng)用工具必須使用消息通用集進行通信。CFI已經(jīng)開發(fā)了一個關(guān)于EDA消息字典的標準。CFI之所以推薦ToolTalk，也與EDA消息字典的擴展有關(guān)，ToolTalk工具能夠滿足在UNIX環(huán)境類中所有已知的要求。但是，為滿足運行在Windows環(huán)境下與那些運行在UNIX環(huán)境下的工具間進行通信的需求、滿足工作環(huán)境提供協(xié)同工作能力的需求，ToolTalk工具還須進一步發(fā)展。關(guān)于與工具集成，CFI工具封裝標準TES是現(xiàn)在這個領(lǐng)域僅有的一個標準，為滿足EDA行業(yè)的需要，TES也在不斷發(fā)展和完善，目前已發(fā)展到可以支持將工具自動封裝到CDE環(huán)境。CIF對傳輸接口（XTI）采用X/Open標準。

3.2　EDA系統(tǒng)的擴展語言標準

擴展語言（ExtensionLanguage，EL）是大多數(shù)EDA系統(tǒng)和工具集的集成部分，用以給設(shè)計者和EDA集成工具提供擴展其他工具的功能，流行的擴展語言包括SKILL，AMPLE，基于設(shè)計的擴展語言如CFI擴展語言。另外，各種腳本語言也用于擴展EDA系統(tǒng)，例如PERL，TKTcl。EDA擴展語言的多樣性導(dǎo)致使用擴展語言實現(xiàn)EDA設(shè)計功能以及這些功能的維護、移植變得困難和昂貴。目前，由于EDA擴展語言還沒有統(tǒng)一，EDA必須支持多種擴展語言的并存。從長遠來看，最終需要一種標準的EDA擴展語言，該標準擴展語言的可重復(fù)性、可移植性、工藝性良好，易于被設(shè)計者和EDA集成工具使用。如今，CFI擴展語言在一定程度上已經(jīng)作為一個標準擴展語言得到了廣大EDA工具和工具商的支持。PERL也很流行，很多EDA工具支持經(jīng)過API訪問PERL擴展語言庫。

擴展語言函數(shù)庫能夠為EDA設(shè)計系統(tǒng)的對象和設(shè)計數(shù)據(jù)提供訪問接口，能夠給應(yīng)用程序開發(fā)人員和EDA集成工具及用戶提供一致的圖形用戶界面和一系列的應(yīng)用程序控件，與各種流行的擴展語言包括CFI擴展語言和PERL兼容。

3.3　設(shè)計對象命名標準

當前很多設(shè)計工具可以使用命名慣例給EDA設(shè)計對象命名。然而，在某些工具供應(yīng)商的設(shè)計工具或系統(tǒng)中，這個名稱有很多限制（例如名稱的長度或者名稱可用的字符集），而且名稱對象的命名規(guī)則在不同的工具供應(yīng)商之間、不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間不盡相同，在由不同工具供應(yīng)商提供的多個應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜設(shè)計環(huán)境下，設(shè)計對象命名依然存在一些混淆，尤其是當一些使用不同命名慣例的工具用于銜接緊密的設(shè)計循環(huán)的情況，于是產(chǎn)生了非常復(fù)雜的映射問題。為便于兼容與移植，需要新的設(shè)計對象命名標準，標準需要支持主要的設(shè)計對象命名慣例，并且支持與現(xiàn)有的設(shè)計工具的兼容，給出如何與現(xiàn)有命名慣例進行轉(zhuǎn)化，能夠通過工具間通信進行名字對象映射。

3.4 時序信息

0.35μm工藝下由于連線引起的延遲已經(jīng)占到總延遲的80%～90%，系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)常需要在早期即把時序設(shè)計作為設(shè)計的一部分，時序約束已經(jīng)成為一個關(guān)鍵約束。時序信息在分級和增量的基礎(chǔ)上可作為過程接口的形式被加以利用，當前許多時序驅(qū)動的設(shè)計工具實際上都與標準延遲文件（SDF，是一個包含了大批量時序信息的文件）進行交互。處理SDF文件的工具將整個文件讀入并通過分別給出的連接關(guān)系或設(shè)計的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)描述與時序數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)存的標準（如EDIF，CFIDR，AP210）還沒有正式數(shù)據(jù)。標準延遲計算語言（DCL）要求時序信息被當前的標準如SDF支持，對于SDF的擴展應(yīng)加以監(jiān)控，以使得標準能夠包含必要的信息。

4　IP核標準化

隨著集成電路規(guī)模和復(fù)雜性的增大，基于IP復(fù)用技術(shù)的設(shè)計方法成為彌補設(shè)計生產(chǎn)效率和芯片密度之間的差距以及快速進入市場最有效的方法。調(diào)查顯示，1995年掩模和設(shè)計的成本只占據(jù)整體的13%，而現(xiàn)在這個比例已升高到62%以上，IP在提高設(shè)計速度，降低成本中發(fā)揮著越來越重要的作用?！爸?010年，IP的使用率將超過90%，基于IP的設(shè)計策略日益重要”。Synopsys的CTORaulCamposano博士表示，“而同時存在的問題是如何解決IP多樣性，這就需要建立標準的平臺和開放式的數(shù)據(jù)庫”。作為解決措施之一，業(yè)界正尋求通過建立IP標準化協(xié)會來克服這一棘手的問題。部分公司開始和代工廠合作提供更詳細的IP信息，或與EDA公司合作提供經(jīng)過驗證的IP，盡管如此，IP的標準化仍然是個很大的問題。在IP核的使用過程中，來自不同廠商的IP集成于同一個芯片中時，會帶來很多整合的問題，集成的效果難以達到理想狀態(tài)。

IP可用性、可復(fù)用性、質(zhì)量評估、建庫及IP交易需要統(tǒng)一的標準來支持。國際上關(guān)于IP設(shè)計、可用性、可復(fù)用性及質(zhì)量評估及其標準化等從20世紀90年代后期開始，交易市場也初步形成。目前，在世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要國家和地區(qū)，都相繼建立了IP/SoC設(shè)計、交易、管理的組織和機構(gòu)，包括VSIA（美國），VCX（英國），D&R（法國），IPTC（日本），SIPCA（韓國），RAPID，***SoC推動聯(lián)盟等。這些組織積極進行IP標準化工作，促進了IP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。IP/SoC的標準主要由VSIA（Virtual Socket Interface Alliance，虛擬插座接口聯(lián)盟）制定，目前VSIA已經(jīng)發(fā)布的IP核復(fù)用的各種文件中，包括8個規(guī)范、5個標準、4個分類法文件、一個質(zhì)量度量電子表格軟件以及其他幾個文件，主要是IP核的復(fù)用設(shè)計標準、交付使用標準。

雖然IP核標準化取得了一定進展，但IP核的設(shè)計及使用仍不盡人意，從標準化的角度來講，迫切需要解決IP核標準的適應(yīng)性和可接受性問題。首先，因為IP核標準獨立于具體器件、具體公司、具體工具、具體工藝，所以一方面標準的一些屬性過于細致，使設(shè)計者很難確定合適的值，但另一方面又有一些屬性不完備，不能很好地說明器件的特性。其次，目前多數(shù)IP核標準仍在試行階段，標準的推廣和用戶的認可程度不盡人意。各個設(shè)計公司，尤其是大型的成熟公司都有自己的內(nèi)部標準，行業(yè)組織推出的標準很難在這些公司內(nèi)部推廣。再次，目前在設(shè)計領(lǐng)域充斥著各種概念和術(shù)語，設(shè)計人員之間、以及公司之間使用的術(shù)語往往不一致，但這些術(shù)語的統(tǒng)計、確認以及讓設(shè)計人員接受和認可這些標準仍需要時間。最后，目前專門用于IP設(shè)計的工具仍是空白，大多數(shù)設(shè)計工具對IP核的設(shè)計、IP庫的管理和使用無能為力，IP的設(shè)計、管理和使用方面的標準化有待發(fā)展。

隨著超大規(guī)模集成電路和系統(tǒng)芯片設(shè)計的發(fā)展，EDA工具制造商正在盡力提高邏輯抽象的層次，EDA也向更高級的描述語言和全集成的驗證環(huán)境、以及如何將模擬功能集成到數(shù)字電路中、分層次設(shè)計方法和增量處理等方向發(fā)展。EDA設(shè)計、測試、封裝等多個環(huán)節(jié)密不可分，EDA標準化范疇很大，本文只粗淺地介紹了其中的部分內(nèi)容。

EDA標準化已經(jīng)取得了很大進展，但相關(guān)標準和亟待發(fā)展的標準依然很多，迫切需要EDA行業(yè)廣泛參與并達成一致，代工廠、工具供應(yīng)商和芯片設(shè)計師加強彼此聯(lián)系與協(xié)作。EDA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也產(chǎn)生了新的標準化問題，如代工工藝設(shè)計流程套件（PDKs）的標準化等。

DFM（可制造性設(shè)計）已經(jīng)出現(xiàn)動向。EDA標準化團體美國Si2（Silicon Integrated Initiative）和半導(dǎo)體制造設(shè)備業(yè)界團體SEMI（Semiconductor Equipmentand Materials Institute，導(dǎo)體設(shè)備暨材料協(xié)會）已經(jīng)展開合作，開始建立“Designto Manu facturing Coalition（設(shè)計與制造的統(tǒng)一）”的DFM應(yīng)用標準化平臺，SEMI的數(shù)據(jù)模型“Universal Data Model（UDM，通用數(shù)據(jù)模型）”和Open Access正逐漸成為事實標準。Si2制定的“LEF（Library Exchange Format），DEF（Design Exchange Format）”也在成為更加完善的工業(yè)技術(shù)標準。此外，Si2也正致力于IP有關(guān)的標準化工作。

無論是EDA的使用還是EDA工具本身，我國與先進國家相比都有很大差距。EDA標準化工作在我國剛剛起步，我國有龐大的市場需求和高的增長速度，同時還有后發(fā)優(yōu)勢，這是我國EDA發(fā)展的楔機。在EDA標準化方面，目前主要應(yīng)采用國際和國外先進標準，一方面引進和轉(zhuǎn)化適用的標準，更重要的是加強轉(zhuǎn)化后標準的宣傳和推廣，通過標準化工作促進我國EDA及集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。