电子系统的设计方法概述

传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木块”是固定功能的标准集成电路，如 运算放大器、74/54系列(TTL)、4000/4500系列(CMOS)芯片和一些固定功能的大规模集成电路。设计者根据需要选择合适的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。传统的电子系统设计只能对电路板进行设计，通过设计电路板来实现系统功能。

如今电子系统已进入数字时代，利用EDA工具，采用微控制器、可编程逻辑器件，正在成为电子系统设计的主流。这些基于芯片的设计方法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。可以说，当今的电子系统设计已经离不开微控制器、可编程逻辑器件和EDA设计工具。

那么接下来我们就简要聊聊传统及现代电子系统的设计方法：

01.

“ Bottom-up”(自底向上)设计方法

传统的电子系统设计采用 “ Bottom-up”(自底向上)设计方法，设计步骤如图1所示。

02.

 “ Top－down”(自顶向下)设计方法

现代电子系统的设计采用“ Top－down”(自顶向下)设计方法，设计步骤如图2所示。

在“ Top－down”(自顶向下)的设计方法中，设计者首先需要对整个系统进行方案设计和功能划分，拟订采用一片或几片专用集成电路ASIC来实现系统的关键电路，系统和电路设计师亲自参与这些专用集成电路的设计，完成电路和芯片版图，再交由IC工厂投片加工，或者采用可编程ASIC(例如 CPLD和 FPGA)现场编程实现。

在“ Top－down”(自顶向下)的设计中，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。结构设计根据系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。这个结构可能包括信号处理，算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等。逻辑设计把结构转换成逻辑图，设计中尽可能采用规则的逻辑结构或采用经过考验的逻辑单元或信号处理模块。电路设计将逻辑图转换成电路图，一般都需进行硬件仿真，以最终确定逻辑设计的正确性。版图设计将电路图转换成版图，如果采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进行编程制片。

03.

设计的划分与步骤

采用“ Bottom-up”(自底向上)设计方法或者“ Top－down”(自顶向下)设计方法，一般都可以将整个设计划分为系统级设计、子系统级设计、部件级设计、元器件级设计4个层次。对于每一个层次都可以采用图3所示的3步进行考虑。

例如设计一个数字控制系统，行为描述与设计完成传递函数和逻辑表达式，结构描述与设计完成逻辑图和电路图，物理描述与设计确定使用的元器件、印制板设计、安装方法等。

04.

设计中应注意的一些问题

在设计中采用“ Top－down”(自顶向下)设计方法必须注意以下问题：

(1)在设计的每一个层次中，必须保证所完成的设计能够实现所要求的功能和技术指标。注意功能上不能够有残缺，技术指标要留有余地。

(2)注意设计过程中问题的反馈。解决问题采用“本层解决，下层向上层反馈”的原则，遇到问题必须在本层解决，不可以将问题传向下层。如果在本层解决不了，必须将问题反馈到上层，在上一层中解决。完成一个设计，存在从下层向上层多次反馈修改的过程。

(3)功能和技术指标的实现采用子系统、部件模块化设计。要保证每个子系统、部件都可以完成明确的功能，达到确定的技术指标。输入输出信号关系应明确、直观、清晰。应保证可以对子系统、部件进行修改与调整以及替换，而不牵一发动全身。

(4)软硬件协同设计，充分利用微控制器和可编程逻辑器件的可编程功能，在软件与硬件利用之间寻找一个平衡。软件/硬件协同设计的一般流程如图4所示。

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