电子系统设计的基本原则和方法

电子系统设计的基本原则和设计方法一、电子系统设计的基本原则：电子电路设计最基本的原则应该使用最经济的资源实现最好的电路功能。具体如下：1、整体性原则在设计电子系统时，应当从整体出发，从分析电子电路整体内部各组成元件的关系以及电路整体与外部环境之间的关系入手，去揭示与掌握电子系统整体性质，判断电子系统类型，明确所要设计的电子系统应具有哪些功能、相互信号与控制关系如何、参数指标在那个功能模块实现等，从而确定总体设计方案。整体原则强调以综合为基础，在综合的控制与指导下，进行分析，并且对分析的结果进行恰当的综合。基本的要点是：（1）电子系统分析必须以综合为目的，以综合为前提。离开了综合的分析是盲目的，不全面的。（2）在以分析为主的过程中往往包含着小的综合。即在对电子系统各部分进行分别考察的过程中，往往也需要又电子局部的综合。（3）综合不许以分析为基础。只有对电子系统的分析了解打到一定程度以后，才能进行综合。没有详尽以分析电子系统作基础，综合就是匆忙的、不坚定的，往往带有某种主管臆测的成分。2、最优化原则最优化原则是一个基本达到设计性能指标的电子系统而言的，由于元件自身或相互配合、功能模块的相互配合或耦合还存在一些缺陷，使电子系统对信号的传送、处理等方面不尽完美，需要在约束条件的限制下，从电路中每个待调整的原器件或功能模块入手，进行参数分析，分别计算每个优化指标，并根据有忽而指标的要求，调整元器件或功能模块的参数，知道目标参数满足最优化目标值的要求，完成这个系统的最优化设计。3、功能性原则任何一个复杂的电子系统都可以逐步划分成不同层次的较小的电子子系统。仙子系统设计一般先将大电子系统分为若干个具有相对独立的功能部分，并将其作为独立电子系统更能模块；再全面分析各模块功能类型及功能要求，考虑如何实现这些技术功能，即采用那些电路来完成它；然后选用具体的实际电路，选择出合适的元器件，计算元器件参数并设计个单元电路。4、可靠性与稳定性原则电子电路是各种电气设备的心脏，它决定着电气设备的功能和用途，尤其是电气设备性能的可靠性更是由其电子电路的可靠性来决定的。电路形式及元器件选型等设计工作，设计方案在很大程度上也就决定可靠性，在电子电路设计时应遵循如下原则：只要能满足系统的性能和功能指标就尽可能的简化电子电路结构；避免片面追求高性能指标和过多的功能；合理划分软硬件功能，贯彻以软代硬的原则，使软件和硬件相辅相成；尽可能用数字电路代替模拟电路。影响电子电路可靠性的因素很多，在发生的时间和程度上的随机性也很大，在设计时，对易遭受不可靠因素干扰的薄弱环节应主动地采取可靠性保障措施，使电子电路遭受不可靠因素干扰时能保持稳定。抗干扰技术和容错设计是变被动为主动的两个重要手段。5、性能与价格比原则在当今竞争激烈的市场中，产品必须具有较短的开发设计周期，以及出色的性能和可靠性。为了占领市场，提高竞争力，所设计的产品应当成本低、性能好、易操作、具有先进性（核心竞争力），在设计要充分考虑电子电路的性能与价格比。二、电子系统的设计方法在传统与现代电子系统设计中有如下几种常用的设计方法：1、 自底向上设计方法传统的系统设计采用自底向上的设计方法。这种设计方法采用“风而知之”的思想，在系统功能划分完成后，利用所选择的元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后将选各功能模块按搭积木的方式连接起来构成更的功能模块，直到构成整个系统，完成系统的硬件设计。这个过程从系统的最底端开始设计，直至完成顶层的设计，因此将这种设计方法称为自顶向下的设计方法。用自底向上设计方法进行系统设计时，整个系统的功能验证要在所有底层模块设计完成之后才能进行，一旦不满足设计要求，所有底层模块都需要重新设计，延长了设计的时间。2、自底向下设计方法目前VLSI系统设计中主要采用的方法是自顶向下设计方法，这种方法的主要特征是采用综合设计喝硬件描述语言，让设计人员用正向的思维方式重点考虑求解的目标问题。这种采用概念和规划驱动的设计思想从高层系的系统级入手，从最抽象的行为描述开始把设计的主要精力放在系统的构成、功能、验证直至底层的设计上，从而验证设计、测试、工艺的一体化。当前EDA工具及算法把逻辑综合和物理设计过程结合起来的方式，有高层工具的前向预测能力，较好地支持了自顶向下设计方法子啊电子设计中的应用。3、层次式设计方法它的基本策略是将一个复杂系统按功能费解成可以独立设计的子系统，子系统设计成功后，将各子系统拼接在一起完成整个系统的设计。一个复杂的系统分解成子系统进行设计可大大降低设计复杂度。由于各子系统可以独立设计，因此具有局部性，即各子系统的设计与修改只影响子系统本身，而不会影响其他子系统。利用层次性可以将一个系统划分为若干子系统，然后子系统可以在分解成更小的子系统，重复这一过程，直至子系统的复杂性达到了在细节上可以理解的适当的程度。模块化是实现层次式设计方法的重要技术途径，模块化是将一个系统划分成一系列的子模块，对这些子模块的功能和物理界面明确的加以定义，模块化可以帮助设计人员阐述或明确解决问题的方法，还可以在模块建立时检查其属性的正确性，因而使系统设计更加简单明了。将一个系统工作能够并行开展，缩短设计时间。4、 嵌入式设计方法现代电子系统的规模越来越复杂，而产品的上市时间却要越来越短，即使采用自顶向下设计方法和更好的计算机辅助设计技术，对于一个百万门级规模的应用电子系统，完全从零开始自主设计是难以满足上市时间要求的。嵌入式设计方法在这种背景下应运而生。嵌入式设计方法除继续采用自顶向下设计方法和计算机综合技术外，他的最主要的特点是大量知识产权模块的复用，这种IP模块可以是RAM、CPU以及数字信号处理器等。在系统设计中引入IP模块，使得设计者可以只设计实现系统其他功能的部分已经与IP模块的互联部分，从而简化设计，缩短设计时间。一个复杂的系统通常既包含硬件，又包含软件，因此需要考虑哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现，这就是硬件软件协同设计的问题。硬件软件协同设计要求硬件和软件同时进行设计，并在设计的各个阶段进行模拟验证，减少设计的反复，缩短设计时间。硬件软件协同是将一个嵌入式系统描述划分为硬件和软件模块一满足系统的功耗、面积和速度等约束的过程。嵌入式系统的规模和复杂度逐渐增长，其发展的另一趋势是系统中软件实现功能增加，并且软件区分不同的产品，增加灵活性，快速响应标准的改变，降低升华级费用和缩减产品上市时间。5、基于IP的系统芯片（SOC）的设计为了解决当前集成电路的设计能力落后于加工技术的发展与集成电路行业的产品更新换代周期缩短等问题，基于IP的集成电路设计方法应运而生。对于集成电路设计师来说，IP是可以完成特定电路功能的模块，在设计电路时可以将IP看做黑箱，只要保证IP模块与外部电路的接口，而不需要知道其内部操作。这样在设计芯片时所处理的是一个个的模块，而不是单个的门电路，可以大幅度的降低电路设计工作量，加快芯片的设计流程。利用IP还可以使设计师不必了解设计芯片所需要的所有技术，降低了芯片设计的技术难度。利用IP进行设计的另一个好处是消除了不必要的重复劳动。IP与工业产品不同，复制IP时不需要花费任何代价的，一旦完成了IP的设计，使用的次数越多，则分摊到每个芯片的初始投资越少，芯片的设计费用也因此会降低。优秀的电路实现方法是简洁、可靠的。要以最少的社会劳动消耗获得最大的劳动成果。这里所说的社会劳动，包括在产品设计、产品生产、产品维护以及元器件的生产中所付出的劳动。为了控制产品成本，常常采用目标价格反算法，也就是先更具市场调查对相应的技术指标制定目标价格，然后在设计实施中找出影响产品经济指标的关键因素，并采取针对性较强的措施。三、思路扩展采用系统集成法应特别重视接口电路的设计，在考虑自己所承担的模块设计时，一定要考虑与之相连模块的接口特性，尽量考虑到模块之间的电平匹配和阻抗匹配。在可能的条件下，尽量采用通用的标准接口。对于空中无