（微电子学与固体电子学专业论文）usb20接口芯片系统架构设计与数字部分实现.pdf

摘要 曼曼! 曼! 曼曼曼! 皇曼鼍i i i i i i i i i。ii - 皇曼寡 摘要 随着芯片设计技术的不断进步，特别是大容量存储设备的广泛使用，使得高 速总线的应用越来越广泛。u s b 技术是一种高速串行接口总线技术，由于其具 有易用、高传输速率、向下兼容、扩展丰富、接口供电、支持热插拔、功耗低等 特点，使得其成为目前在计算机外设以及高速存储设备上使用最多最被看好的一 项技术，它具有广阔的发展前景。而随着芯片设计越来越复杂，要想在规定的时 间内达到设计目标也越来越困难，为此出现了a s i c 设计流程规范，芯片设计通 过遵守设计流程，每一步都达到设计要求，这样在遵守时间的同时得到高可靠性， 这样以a s i c 设计流程为基础对u s b 物理层芯片进行设计，其具有广阔的市场 前景和现实意义。 本论文通过分析u s b 协议，特别是收发器宏单元接口( u n i v e r s a lt r a n s c e i v e r m a c r o e e l li n t e r f a c e ，u t m i ) 部分协议，对传统的u t m i 系统架构进行了改进， 总体结构分为三大部分：模拟部分；4 8 0 m h z 时钟域数字逻辑，包括位填充和反 位填充、反转不归零编解码( n o nr e t u r nt oz e r o - i n v e r t e d ，n r z i ) 和解码、串并 和并串转换中的移位寄存器、发送和接收状态机、时钟数据恢复模块等；6 0 m h z 时钟域数字逻辑部分，主要包括串并和并串转换中保持寄存器、串行接口引擎 ( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ，s i n ) 接口转换逻辑等。其中数字部分以4 8 0 m f h 时钟作 为系统时钟，对于发送和接收模块，采用门控时钟的方法来降低系统功耗，对具 体电路的设计采用以面积换时间的方法设计高速电路。 本论文设计难点在时钟数据恢复模块，通过比较分析业界流行的时钟恢复方 法：模拟c d r ( m o c ka n dd a t ar e c a v e r y ) 技术和过采样技术，分析其优缺点，在 此基础上提出结合这两种传统方法的方法，设计出兼具结构简单和恢复速度快的 优点的自动反馈调节时钟恢复电路，此电路利用了锁相环中的延时单元来实现。 其主体部分为数字逻辑实现，设计简单可靠，且降低了功耗。 最后通过仿真验证设计，其完全满足设计要求，并给出了物理综合结果。本 论文是一个完整的a s i c 前端设计。从系统架构的选择和设计，到最后综合给出 门级网表，采用业界最流行的设计流程和项目管理方法，对通用a s i c 的前端设 计具有参考意义。而本设计中的难点，也是最具创新的部分时钟数据恢复模 块不仅能够u s b 2 0 芯片中应用，还能应用于串行高级技术附件( s e r i a l a d v a n c e d t e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ，s a t a ) 及其他高速串行总线中，为通用的时钟恢复电路 设计提供了第三套解决方案，简化了此类芯片的设计难度，具有广阔的市场前景 和学术价值。 关键词高速串行总线：u s b ；u t m i ：时钟恢复；仿真 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i pd e s i g nt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yt h ew i d eu s eo f l a r g e - c a p a c i t ys t o r a g ed e v i c e s ，t h ea p p l i c a t i o n s so fh i g h - s p e e db u s e s sa r em o r ea n d m o r ew i d e u s bi so n et y p eo fh i g h s p e e ds e r i a li n t e r f a c eb u s i to w n st h ef e a t u r e so f e a s yu s e ，h i g hs p e e d , g o o dc o m p a t i b i l i t y , r i c he x t e n d i t y , i n t e r f a c e s u p p l i e dp o w e r , h o t p u l l - p o p ，l o wp o w e ra n ds oo n t h e s ef e a t u r e sm a k eu s b o n eo ft h eb e s tt e c h n o l o g i e s i nt h ea r e a so fc o m p u t e re x t e r n a ld e v i c e sa n dh i g h s p e e ds t o r a g ed e v i c e sa n dt h u si t h a st h ep r o m i s i n gm a r k e t o nt h eo t h e rh a n d , t h ec o m p l e x i t yo fc h i pd e s i g nc a u s e st h e i m p l e m e n t a t i o no fc h i p sh a r d e ra n dh a r d e rw i t h i nas h o r tt i m eu s i n gt h et r a d i t i o n a l m e t h o d s a sar e s u l t ，t h ea s i cd e s i g nf l o ws p e c i f i c a t i o ne m e r g e s c h i pd e s i g nc a n f o l l o wt h ed e s i g nf l o ws p e c i f i c a t i o na n dt h u se v e r ys t e po fc h i pd e s i g nc a ns a t i s f y d e s i g ns p e c i f i c a t i o n i nt h i sw a y , t h ec h i pc a nb ei m p l e m e n t e di n t i m ew i t ht h e g u a r a n t e eo fq u a l i t y a c c o r d i n gt o t h i s c h i pd e s i g nn o w ，u s bc a nb ee a s i l y i m p l e m e n t e d a n di tw i l lh a v e w i d em a r k e ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h i sp r o j e c ti m p r o v e st h et r a d i t i o n a lu t m is y s t e ma r c h i t e c t u r et h r o u g ha n a l y z i n g u s bp r o t o c o l , e s p e c i a l l yt h ep a r to fu t m i t h ea r c h i t e c t u r ei n c l u d e dt h r e ep a r t s ： a n a l o gp a r t ，d i g i t a ll o g i cp a r to f4 8 0 m h za n dd i g i t a ll o g i cp a r to f6 0 m i - h t h ed i g i t a l l o g i cp a r to f4 8 0 m h zi n c l u d e db i t s t u f fa n du n b i t s t u f f , n r z ic o d ea n dd e c o d e ， s e r i a l - p a r a l l e la n dp a r a l l e l - s e r i a lt r a n s f o r m a t i o ns h f i t i n gr e g i s t e r s ，t r a n s f o r m i n ga n d r e c e i v i n gs t a t em a c h i n e s ，c l o c kd a t ar e c o v e rm o d u l ea n d8 0o n t h ed i g i t a ll o g i cp a r t o f6 0 m h zi n c l u d e ds e r i a l - p a r a l l e la n dp a r a l l e l - s e r i a ls h i f t i n gs t o r a g er e g i s t e r s ，s i e i n t e r f a c et r a n s i t i o nl o g i ca n ds oo n t h ed i g i t a lp a r tu s e4 8 0 m h za st h es y s t e mc l o c k a sf o rt h et r a n s f o r m i n ga n dr e c e i v i n gm o d u l e s ，t h es y s t e mu s e sg a t e - c o n t r o l l e d m e t h o dt or e d u c et h es y s t e mp o w e r t h es y s t e mu s e st h em e t h o do fr e d u c i n gt i m e t h r o u g ha d d i n gf i e l dt od e s i g nh i g h - s p e e dc i r c u i t t h ed i f f i c u l t yo ft h i sp r o j e c ti st h ec l o c kd a t ar e c o v e rm o d u l e t h i sp r o j e c tc o m p a r e s t h ep o p u l a rc l o c kr e c o v e rm e t h o d s ：a n a l o gc d rt e c h n o l o g ya n do v e rs a m p l i n g t e c h n o l o g y t h r o u g ha n a l y z i n gt h e i ra d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ，t h i sp r o j e c t a d v a n c e san e wm e t h o db a s e do nt h e s et w om e t h o d s i td e s i g n st h ea u t o - f e e d b a c k c l o c k - r e g u l a t e do o v e rc k c u i t w h i c ho w n st h ef e a t u r e so fsi m p l es t r u c t u r ea n d h i g h - s p e e dr e c o v e r y t h i sc i r c u i tu s e st h ed e l a yu n i t so fp l l t ob ei m p l e m e n t e d t h e m a i nm o d u l eo ft h i sc k c u i ti s d i g i t a ll o g i ci m p l e m e n t a t i o n i t sd e s i g n i s s i m p l e ， r e l i a b l ea n dl o w p o w e r t h i sp r o j e c tg i v e st h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n t h e s er e s u l t sa r es a t i s f i e d a b s t r a c t w i t ht h es y s t e md e m a n d s t h i sp r o j e c t1 8as o l u t i o no ft h ei n t e r g r a t e da s i cf o r e n d d e s i g n ，f r o mt h ec h o i c ea n dd e s i g no fs y s t e ma r c h i t e c t u r et ot h ef i n a lg a t e l e v e ln e t l i s t i tu s e st h ep o p u l a rd e s i g nf l o wa n dp r o j e c tm a n a g e m e n tm e t h o da n dt h u si t i su s e f u l t ot h eu n i v e r s a la s i cf o 瑚dd e s i g n t h ed i f f i c u l t yo ft h i sp r o j e c t , c l o c kd a t ar e c o v e r y m o d u l e ，w h i c hi st h ei n v o r a t i v ep a r to ft h i sp r o j e c t ，c a nb eu s e dn o to n l yi nu s b 2 0 c h i p ，b u ti ns a t a a n do t h e rh i g h s p e e db u s e s 嬲w e l l t h i sp r o v i d e st h i r ds o l u t i o nf o r t h ed e s i g no ft h eu n i v e r s a lc b c k r e c o v e r yc i r c u i t i tc a nm a k et h ec h i pd e s i g ne a s i e r a n dh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt h ea r e a so fi n d u s t r ya n da c a d e m h a k e yw o r dh i g hs p e e ds e r i a lb u s ；u s b ；u t m i ；c l o c kr e c o v e r y ；s i m u l a t i o n i r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另, j m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：汤岛鲨之日期：堡乒车固5 口目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕毖导师签名：虿叁亟嗍聊醐 第1 章绪论 1 1 高速串行总线简介 第1 章绪论 近距离宽带通信一般可以分为两种，即串行方式和并行方式，并行方式是指 多位数据和同步时钟并行传输。串行方式是指将字节信号逐位传输，不使用额外 的同步时钟信号，靠接收端来恢复时钟同步数据i l 】。两者的区别比较明显，并行 方式在短距离低速率的应用上比较多，随着通信距离及数据吞吐量的增加，并行 方式的实现成本成指数增长，距离的增加使得并行电缆的多股线芯之间，电子干 扰越来越严重。速度的提升又让线芯之间的数据同步产生问题。并行数据位宽的 增大带来额外的芯片管脚成本和p c b 制版的困难。而采用串行数据传输，连线 环境简单，信号相对干净，通信潜力大。正是因为这些优势，使得高速串行总线 成为了时下主流1 2 ，3 】。 高速串行总线就其应用领域主要分为工业通信领域和消费电子领域，在工业 通信领域，产品的可靠性和稳定性是最主要的要求。由电子工业协会( e l e c t r o n i c i n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e i a ) 发布的r s 2 3 2 、r s 4 2 2 及r s 4 8 5 等被广泛使用， 其中最为人们熟悉的是r s 2 3 2 ，其是一种在低速串行通信中增加通信距离的单 端标准，采取单端通信即不平衡传输方式，传送距离可达1 5 米，最高速率为 2 0 k b p s f l 3 ，4 1 。而在消费电子领域，影响最大的是u s b 技术。其最大特性是支持 即插即用和热插拔功能。在微软操作系统中，任何一款标准的u s b 设备可以在 任何时间、任何状态下与计算机连接，并且能够马上开始工作。 除了u s b 技术外，在消费电子领域还有许多其他高速串行总线技术，主要 分为便携式外设总线和计算机内部总线。在外设总线上与u s b 竞争最激烈的当 属1 3 9 4 火线接口，是一种与平台无关的串行通信协议，由电气与电子工程师协 会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 于19 9 5 年正式制定( 5 1 。 其具有很多优点，首先，它是一种纯数字接口，在设备之间进行信息传输的过程 中，数字信号不用转换成模拟信号，从而不会带来信号损失；其次，速度很快， 1 g b p s 的数据传输速度可以很好地传输高品质的多媒体数据，而且设备易于扩 展，在一条总线中，1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s 的设备可以共存；另外，产 品支持热插拔，易于使用，用户可以在开机状态下自由增减i e e e1 3 9 4 接口的设 备，整个总线的通信不会受到干扰【3 5 1 计算机内部高速串行总线主要有三种， 分别是s a t a 、h y p e r t r a n s p o r t 与p c ie x p r e s s ，三者分别主管磁盘系统、芯片级 互联以及作为系统总线使用。s a t a 2 0 将速度提升到3 0 0 m b s ，还具有本机命令 队列( n a t i v ec o m m a n dq u e u i n g ，n c q ) 功能，能对磁盘的读写命令作重新安排， 最终达到磁头移动距离最短、读写效率最优的目的。h y p e r t r a n s p o r t 是a m d 为 北京工业大学工学坝士学位论文 k 8 平台专门设计的高速串行总线，被设计为两枚芯片间的连接，连接对象可以 是处理器与处理器、处理器与芯片组、芯片组的南北桥、路由器控制芯片等。p c i e x p r e s s 是一项用于取代外设组件互连标准( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ， p c i ) 的系统总线技术，它的发起者是i n t e l 公司，其与h y p e r t r a n s p o r t 非常相似， 都是采用点对点的单双工传输线路，引入抗干扰能力强的低电压差分信号 ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，l v d s ) 技术，命令信号、地址信号和数据 信号共享一个数据路径，支持双沿触发技术掣3 4 6 l 。 1 2 国内外u s b 发展现状与特点 通用串行总线即u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种应用于p c 及数码产品领 域的通用接口技术，最早是由m 、m i c r o s o r 等几家公司于1 9 9 4 年联合推出的 一套通用接口解决方案，随着m i c r o s o f t 等强势公司的力推，特别是m i c r o s o f t 在 w i n d o w s9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，再加上u s b 设备的日渐增多， u s b 接口逐步走进了实用阶段【7 ，引。 u s b 接口发展的里程碑是在2 0 0 0 年由m 、i n t e l 、m i c r o s o r 、n e c 、p h i l i p s 等联合制定了u s b 2 0 协议之后树立起来的，u s b 2 0 在原u s b l 1 最高1 2 m b s 的基础上增加了4 8 0 m b s 的高速模式，除了传输速率大幅提高外，其还具有如下 一些优点，正是这些优点使得其成为p c 机以及数码领域最受欢迎的接口形式并 逐渐成为p c 机的主流接口【9 1 0 】。 ( 1 ) 易用性易用性设计是u s b 最主要的特点，由于m i c r o s o f t 对u s b 的力 推，使得当用户将带u s b 接口的终端连接到带有w i n d o w s 的操作系统上时不用 自己重新安装驱动或是配置端口中断等信息，w i n d o w s 会自动检测设备并加载相 应的驱动，这样用户能够很方便的使用u s b 外设。 ( 2 ) 4 8 0 m b s 高速数据传输速率u s b 2 0 接口总共支持3 种总线速度：兼容 u s b l 1 的低速l s ( 1 0 ws p e e d ) 1 5 m b i t s 和全速f s ( f u l ls p e e d ) 1 2 m b i t s 速率， 同时也支持高速h s ( h i g hs p e e d ) 4 8 0 m b i t s 速率。正是由于u s b2 0 接口高达 4 8 0 m b p s 传输速度，使得其应用范围大大扩大，不仅能应用于鼠标、键盘等低速 设备上，同时也能用于打印机、硬盘等高速设备上，已经能够满足绝大多数需要 较大数据量交换的外设的要求。 ( 3 ) 可扩展性个人计算机p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 上u s b 2 0 接口一般作为 外设的连接接口，它采用菊花链的形式对端口进行扩展，也就是说一个u s b 2 0 接口可以扩展出多个接口提供给外设，避免了p c 机上接口数量对扩充外设的限 制。u s b 2 0 协议允许的最大级联数为5 级，主机最大允许1 2 7 个设备同时连接， 当需要多个设备同时使用时，只需在u s b 接口上外接一个u s b 集线器即可。 ( 4 ) u s b 2 0 接口可提供5 v 电源u s b 2 0 接口包括一根电压为5 v 的电源线和 2 第l 章绪论 _ 一根地线，通过这个电源线主机或者集线器可为外设提供5 v 的电源，在外设耗 电量不大于2 5 瓦的情况下，u s b 2 0 设备可以直接从总线上获得所需的电量， 因此绝大多数设备不再需要设计专门的供电电源，从而大大降低了这些设备的制 作成本并提高了设备的便携性。 ( 5 ) 支持热插拔所有的u s b 2 0 外设可以直接和运行中的计算机进行连接而 不需要先关闭电源，计算机能自动检测设备连接情况，这样的设计使用户能够在 不打断现有工作的情况下来使用带u s b 2 0 接口的设备。 ( 6 ) 低功耗在u s b 2 0 设备较长时间未使用时，u s b 总线会自动进入挂起状 态，并停止总线上除与挂起恢复有关的所有其他活动，这样能够使得主机在保持 响应恢复能力的同时尽可能的降低耗电，当设备重新被使用时，设备会自动恢复 到原来的状态。 正是由于u s b 2 0 总线的诸多优点，使其能在短短的十年间飞速发展起来， 随着人们对移动数据交换以及超大容量数据交换的需求越来越迫切，人们希望两 个u s b 2 0 设备能不经过p c 机就直接完成移动数据交换任务，例如数码相机可 以直接连接并控制打印机打印照片，两个m p 3 设备直接相连就可以完成歌曲的 相互拷贝，游戏爱好者希望能在任何计算机上享受同样的高性能的显示待遇，这 样就需要高数据量传输的高性能外置显卡【7 l 。这些需求使得o t g ( o nt og o ) 技术以及具有更高传输速率的u s b 3 0 技术迅速发展起来，o t g 技术是一种使得 u s b 设备具有了能同时充当u s b 主机和u s b 外设的能力，它将嵌入式u s b 主 机和u s b 设备两种功能巧妙地结合在一起，并可以灵活切换1 1 0 】。u s b 3 0 技术则 把u s b 接口的传输速度提高了l o 倍以上t 1 2 l 。可以想象未来u s b 技术将具有极 强的发展能力和广阔的发展前景，u s b 接口技术是一个很有意义的研究方向。 随着通用串行总线u s b 3 0 协议标准于2 0 0 8 年8 月颁布，标志着u s b 新的 里程碑的到来，同时让我们更加有了紧迫感，由于我国集成电路发展起步比较晚， 技术相对比较落后，这样导致了相应标准协议的制定以及芯片的设计都被国外大 公司所垄断，我们如何能在将来信息社会中立于不倒，这只能靠我辈努力追赶了。 1 3 课题来源及现实意义 本课题来源于北京工业大学嵌入式系统重点实验室与校外公司合作开发的 通用s d 卡芯片，该公司具有很强的片上系统s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) 设计能力， 而其接口电路的研发能力相对较弱，实验室则在接口电路特别是数模混合电路设 计方面有很强的实力，双方在此次合作中具有很强的技术互补性。实验室开发的 u s b 2 0 接口芯片是以通用性为目标的。 u s b 接口的广泛应用形成了一个巨大的市场，数以亿计的u s b 设备对兼容 u s b 协议的芯片具有大量的需求，而这一市场却被国外少数公司所垄断，例如 北京工业大学工学硕十学位论文 在u s b 2 0 协议公布的同年1 1 月唧，p h i l i p s 和c y p r e s s 就推出了自己的u s b 2 0 接口芯片，现在市场上主要的u s b 2 0 接口芯片都是国外如c y p r e s s 、i n t e l 、 p h i l i p s 、n e t c h i p 和台湾厂商如虹晶科技，松瀚科技等所生产的【1 1 l 。国内的i c 设计、生产厂家由于起步比较晚，技术力量相对比较落后，在强大的竞争下没有 投入足够的人力物力在这一领域，结果丧失了很大的市场空间。 对于u s b 芯片开发来说一般有两种开发模式，一种是纯粹的u s b 接口芯片， 它需要外接微控制器来对其工作状态进行控制，另一种是带u s b 接口的单片机， 这两种开发模式都采用的物理层芯片p h y ( p h y s i c a l ) + s i e 的结构，对于p h y 来说由于涉及到高速数据处理和数模混合开发，一直以来都是u s b 芯片开发的 难点，在国内更是如此，国内有关u s b 芯片的设计一般偏重于系统集成，即利 用已有的u s b 2 0 p h y 和s i e 芯片，通过编写相应的固件和驱动程序来完成整个 应用系统的设计，或是利用现有p h y 芯片来开发s i e 的d 核，在这两个领域我 们取得了很大的成功，然而在p h y 芯片的开发设计上还比较薄弱。 本论文主要研究p h y 芯片的系统架构和数字和模拟模块的划分，以及 u s b 2 0 高速数据处理能力的核心时钟数据恢复模块的开发设计。 1 4 论文结构 本论文按照a s i c 通用设计流程及u s b 2 0 接口设计和实现的过程来划分， 总分为六章，具体安排如下： 第1 章：绪论，主要介绍了u s b 的发展情况以及u s b 2 0 的主要特点，并 于第三小节介绍了论文的主要工作和结构； 第2 章：通用a s i c 设计方法，介绍当前流行的a s i c 芯片设计流程和方法， 以及a s i c 项目管理和实施，最后介绍了在本设计中所用到的一些低功耗设计技 术； 第3 章：u s b 2 0 协议解析及u t m i 接口规范，主要介绍了u s b 2 0 协议的 基本内容及传输原理，同时介绍了u s b 2 0 接口协议以及模块划分； 第4 章：u t m i 接口电路设计，详细介绍了u s b 2 0 接口芯片各模块的构成 以及实现； 第5 章：仿真与验证，主要完成对u s b 2 0 接口芯片数字部分的功能仿真以 及f p g a 验证，给出了d c 综合的结果； 结论：对本论文的工作总结及展望。 4 第2 章专用集成电路设计方法 i | ui| 第2 章专用集成电路设计方法 从沙子中提取出纯度很高的硅，用这些硅制作成芯片，其单位价值可以超过 黄金，这就是现代的点石成金术一a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 即专用集成电路，指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成 电路n 3 3 。 2 1 专用集成电路设计方法概述 a s i c 设计从2 0 世纪9 0 年代以来发生了翻天动地的变化，出现了高层次设 计的自动化，这样不可避免的引入了高级硬件描述语言，一些综合工具的采用使 得芯片设计能在较高抽象层次上进行，从而解放了人的低级重复劳动，大大提高 了设计能力，综合工具的使用也使得芯片能获得更高的品质。如今a s i c 设计正 向两个方向发展，一方面是宏观上向系统集成方向演化，即s o c 系统，另一方 面是在工艺生产上已经进入了4 5 纳米尺度的设计范畴。这样就使得a s i c 工程 设计变得非常复杂，需要设计人员具有更加宽广的知识技能，设计人员特别是项 目负责人需要深入了解a s i c 工程设计流程的每个环节，并且需要具有保证设计 各个环节可靠、设计质量可靠的同时还要保证设计能按时完成的能力。这些都要 求具有一套标准的流程和管理。 a s i c 是一个发展迅速的黄金产业，从4 0 多年前摩尔提出著名的“摩尔定律” 即半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番以来，集成电路按照这个速率不 断扩展，a s i c 芯片特别是c p u 芯片计算能力不断提高而成本却不断下降，这些 便宜而高效的芯片越来越深刻的改变和丰富了我们的生活，而随着晶体管数量的 不断增加，芯片加工工艺也不断提高，集成电路的设计思想和方法也不断转换以 适应新的需求，大体上来说，集成电路的设计方法可以分成如下几个阶段n 3 3 ： ( 1 ) 纯手工设计阶段设计工程师们用自己的双手来绘制版图。在a s i c 发展 的早期，电路的设计直接从器件版图开始，这样每个逻辑电路，甚至是每个逻辑 门都是工程师们纯手工画出来然后集成到一起，这样费时又费力且极易出错，大 大限制了在一个芯片上集成的逻辑门数，此时一个芯片上集成的逻辑门数大约在 十这个数量级上。 ( 2 ) 计算机辅助设计初级阶段设计工程师能用计算机软件来进行版图的辅助 设计，这个阶段的计算机软件只是对门电路版图进行简单的调用、运动、复制、 修改等操作，它具备了按精度要求快速精确的绘制版图的能力，同时这个时期的 软件也已经具备了对p c b 绘图和逻辑电路的简单分析能力，从而使电路的规模 扩大到了上百门。 北京工业大学工学硕十学位论文 ( 3 ) 计算机辅助设计高级阶段随着设计的复杂度越来越高，简单的计算机辅 助设计软件已经难以满足快速增长的工业需求，这样迫使计算机软件技术大步前 进，各种各样的辅助设计软件相继问世，特别是自动布局布线工具的产生使得设 计工程师可以直接从门级开始设计，工程师把宝贵的精力投入在电路描述及功能 和时序上，让大部分的后续工作可以交给计算机软件来完成，此时逻辑电路设计 的规模达到了几万门。 ( 4 ) 自动化设计阶段随着a s i c 电路规模不断扩大，设计的复杂性也不断提 高，从门级开始进行设计的方法已经变得越来越难以令人满意，于是随着技术的 不断进步，基于硬件描述语言的设计方法应运而生。人们用硬件描述语言在传输 层，甚至是系统层进行设计，然后利用综合工具和布局布线工具把它变为满足目 标设计要求的版图，这时候的芯片规模已经达到了几十万门。 ( 4 ) s o c 阶段随着芯片上集成的晶体管数量向着百万千万门的规模扩大，已 经可以在一个芯片上集成一个完整的电子系统了，这时候就出现了以此为目的的 设计方法即片上系统，这样工程师可以把c p u 、d s p 、模拟电路、内存等设计成 p 核的形式，然后针对不同的应用选取合适的m 核集成到一块芯片里面去，使 之互相连接构成满足设计要求的目标系统，这种设计方法使得设计规模成百上千 的扩大，同时由于基于p 核技术的使用，使芯片设计的可重用性大大提高，芯 片质量在d 核质量越来越高的情况下也越来越容易保证。 2 2 专用集成电路设计流程 集成电路设计一般有自底向上和自顶向下两种设计方法，大多数的通用设计 都采用自顶向下的设计方法，本设计也采用自顶向下的设计方法，其流程图如图 2 1 所示m 1 。 6 第2 章专用集成电路设计方法 曼皇! 曼蔓曼曼! 皇曼皇! 毫! ! ! i i i i i | 皇曼! 曼! 曼! 曼! 皇曼曼! ! ! ! ! ! 曼曼皇! 曼曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼皇曼! 皇寰 图2 1 集成电路设计流程 f i g u r e2 - 1a s i cd e s i g nf l o w 7 北京工业大学工学硕士学位论文 一个完整的a s i c 设计流程一般分为五个阶段，分别是： ( 1 ) 系统功能描述阶段在这一阶段里又细分出三个步骤，首先市场调研、方 案分析，主要是来确定本芯片的市场前景、客户群以及方案的可行性，这一步会 从未来客户手中得到设计所需的第一手资料，并大致拟定出总体的设计方案以及 芯片参数，包括系统功能、制作工艺等；其次是系统规范，包括系统所遵循的协 议标准以及系统需要达到的性能指标等；最后功能设计是对前面得出的总体设计 方案的功能细分，在这一步骤里面会给出系统各个子模块的设计功能、内部结构 以及模块间的数据流图和系统的时序图。 ( 2 ) 逻辑设计阶段在这一阶段里对系统功能进行结构化，主要是按照前面定 义的各子模块功能以及接口信号进行逻辑设计，一般采取硬件描述语言的形式来 表示设计结果，在定的代码编写规则的要求下，依据前面定义的规范，完成各 个子模块的寄存器传输级代码编写，然后再对电路进行功能和性能分析，功能分 析主要是在前仿真下完成，而性能分析则是在f p g a 下完成。如果到达了系统功 能定义的要求则进行下一步，否则需要对代码进行相应的修改。 ( 3 ) 电路设计阶段这一阶段主要是把前面代码变为电路实现，即用芯片制作 厂商提供的标准电路单元，例如触发器、与非门等，再加上一些时序约束，在工 具的帮助下，使用尽可能少的元器件和连线，把代码映射到实际的综合库单元， 最后得到一个在时序和面积上都满足设计要求的门级网表，其次在得到插入了时 钟树和扫描链后的门级网表后，工具通过延时计算得到一个标准延时格式的文 件，版图前验证就能利用网表和这个延时文件进行门级的逻辑功能仿真。 ( 4 ) 物理设计阶段这一阶段主要是对前面得到的门级网表进行版图设计，包 括布局布线，寄生参数提取，静态时序分析等。 ( 5 ) 设计验证阶段这一阶段是为了能保证芯片在制作工厂被准确无误的实现 出来，其主要包括设计规则检查、电路版图对照检查、版图电路提取、电学规则 检查等，只有所有的这些检查都通过了，才能放心的让制造厂商去流片生产。 2 3 专用集成电路低功耗设计 随着集成电路设计技术的不断进步，单纯的靠提高数字系统速度的做法已经 无法满足人们的需求，现代的消费者大都希望能随时随地地使用自己的计算机或 移动设备，而不被供电电缆所束缚。这些便携式的设备例如移动电话，笔记本电 脑，掌上电脑等供电往往依靠电池来维系，但是由于体积和工艺的限制，电池的 容量不可能无限的增加，这样就要求这些有移动和续航能力要求的设备功耗能尽 量低，集成电路的低功耗设计业已成为了业界主流。 低功耗设计具有几个特点，首先是低功耗设计能大大降低成本，体现在使用 第2 章专用集成电路设计方法 曼曼曼曼鼍曼鼍曼! m i ! ! ! 曼曼皇曼! 曼曼! ! 皇曼鼍曼! 曼鼍! ! 鼍鼍舅曼鼍! 鼍曼鼍皇曼皇曼舅曼! 皇曼蔓曼! 曼曼曼罡鼍曼 低功耗设计的芯片功耗较低，发热较低，于是芯片可以选用低成本的塑料封装， 否则必须选用成本较高的陶瓷或其他封装，由于功耗的降低设备所需的供电电源 的成本也会降低，而且较低的发热量让系统的冷却成本也大大降低；其次低功耗 设计能大大提高设备的便携性，因为功耗设计可以在不损害设备续航能力的前提 下减小电池体积，这样就能更好的控制移动设备的体积，或是在相同体积下能提 供更高的续航能力：最后是能提高产品的质量，一般来说电子产品的平均故障间 隔时间是与工作温度成反比的，功耗越低发热量越小电子产品的平均故障间隔时 间就会越大。 降低功耗的方法有如下几种n 乱1 副： ( 1 ) 门控时钟电路门控时钟电路对降低系统动态功耗非常有效，一般来说使 用门控时钟可以降低大约五分之一到三分之二的功耗。门控时钟有两种方案，第 一种是对模块级别的时钟进行门控，第二种是直接针对寄存器的时钟进行门控。 相比较而言第二种更为灵活，对降低系统功耗贡献也更大。 ( 2 ) 操作数隔离操作数隔离即在一段时间内，如果数据通路的输出是无用的， 则将它的输入固定为一个确定数值，这样能够保证在此时间段内，数据通路部分 不翻转，从而降低功耗，但是使用操作数隔离的方法会增加面积并影响后面的可 测性设计d f t ( d e s i g nf o r t e s t ) 。 ( 3 ) 门级电路的功耗优化门级电路的功耗优化是从门级网表开始，利用工具 对设计进行功耗的优化，在保持设计性能的前提下满足功耗的约束，门级电路的 功耗优化包括了设计总功耗、动态功耗、漏电功耗等的优化。在进行优化时所产 生的电路首先要满足设计规则要求，然后满足时序要求，在满足了时序要求的前 提下进行总功耗的优化，然后再进行动态和漏电功耗的优化，最后对面积进行优 化。这种优化是以牺牲时序路径上的正时间冗余来达到的。 ( 4 ) 多供电电压降低供电电压能最直接的降低芯片功耗，由于单元逻辑的延 时与供电电压成反比关系，可以在满足时序要求的前提下，把供电电压高的电源 给工作频率高的模块以降低时序路径中的单元的延时，把供电电压低的电源给工 作频率低的模块以降低模块的功耗。 ( 5 ) 门控功耗如果一个模块在一段时间内不工作，可以切断该区域的逻辑电 路的供电电源，这时该模块漏电功耗最小。 这五种降低功耗的方法中，前四种方法用于降低系统的动态功耗，后一种方 法用于降低系统的静态功耗。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先对a s i c 设计方法的演化进行了概括性的描述，从传统的纯手工设 计阶段到计算机辅助设计，从纯硬件设计到最近的s o c 全面设计阶段，a s i c 设 计方法得到了飞跃式的发展，这样越来越复杂的芯片设计需要有比较完善的规范 来约束，才能保证设计的质量，于是就催生了a s i c 设计流程，主要的流程有自 顶向下和自底向上两种，自顶向下的设计流程简单，自动化程度高，主要适合中 低等规模的设计，本设计就是采用自顶向下的设计方法。 本章还介绍了当前比较流行的低功耗设计方法，有门控时钟、操作数隔离、 门级电路的功耗优化、多供电电压、门控功耗等，所有这些方法都是为了降低系 统的动态或静态功耗，从而降低整个系统的整体功耗。 第3 章u s b 2 0 协议解析及u t m i 接口规范 第3 章u s b 2 0 协议解析及u t mi 接口规范 无论是u s b 控制芯片还是u s b 接口芯片的设计都离不开u s b 协议，所以 对于协议的理解和掌握是进行芯片设计的基础和关键。 3 1u s b 2 0 协议总览 t r s b z 0 接口又称为高速串行总线接口，其传输速率最高可以达到4 8 0 1 v l b s ， 由其拓扑结构决定可以由许多个外设共享同一个接口，最大的情况下一个 u s b 2 0 接口可以连接多达1 2 7 个外设，对于用户来说，u s b 系统就是外设通过 u s b 电缆和p c 机相连，p c 机是整个总线的主控者，它掌握所有的控制权并负 责发起和外设之间的通讯。u s b 协议是一个基于令牌包的通讯协议，主机和外 设之间通过在总线上发送和接收含有设备地址和命令的令牌包来通讯，为了降低 功耗和提高u s b 总线的利用率，主机会将总线时间划分为1 2 5 “s 一帧，并在每 帧开始时发送帧开始包，通过帧传输的形式实现时分复用，共享总线带宽f 1 0 u 1 6 3 1 1u s b 系统结构概述 一个u s b 2 0 系统由u s b 主机、u s