（微电子学与固体电子学专业论文）模拟ip的设计与soc系统集成.pdf

捕蛰 摘要 i 随着集成电路工艺的飞速发展，人们已经可以将原先的板级系统 集成在一块芯片上，系统芯片逐渐成为集成电路设计的主流发艘趋势。 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的出现在很大程度上提高了整个系统抟性箍，并 很好得解决了板缀系统瀚有的噪声闯题鞠袄级连线延时所带来的速度 闯毯。它的出现其有划时代戆意义，是信息技术发麟的一个重要的里 程碑。攫出予s o c 的煺摸非常庞大，很少有单令公司能够承担整个s o c 8 7 l 发和维护，加之面市时间( t i m e t o m a r k e t ) 的巨大压力，人们逐渐 认识到基于预先设计好的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 进行s o c 的集成是 提升s o c 设计效率的非常有效的方法。s o c 和i p 的出现带动了集成 电路产、i e 新一轮的分工，同时也导致集成电路设计方法的巨大革新击 论文首先介绍了s o c 及i p 产业出现的背景，对i p 及基于l p 重j l 的s o c 设计方法学以及s o c 设计游榴关理论和技术进行了探溥。分缨 了西际l p 标准亿组织v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) 著阐述了 l p 核数标准化对整个s o c 产业和技术发展的重要意义。 论文昀主体分缨了一款支持固话短消息功能的s o c 一一l i n e 的殴 计。糍个芯片基于i p 羹用设计方法学设计，其核心是个3 2 位的嵌 入式微处理器一c 。c o r e ( 来自m o t o r o l a m + c o r e ) ，同时在芯片中集成了 r a m 、中断控制器、s c i 、s p i 等功能模块。在顶层设计完成了软，硬件 划分和硬件体系架构，根掘硬件架构进行功能穰块的划分并选用适当 的i p 。沦文第蔺章着重论述了一个重要静模羧l p 一一低电压检测复位 电路( l v d r e s e t ) 的设计。l v d r e s e t 翡摹本功能是检铡电源电压以聪 盘突然捧电给系统荣来款不安全。擐据功能及蛙能的要求，论文给出 了电路设诗，通过s p i c e 仿真后还进芎亍了全定制版图的设计和物理验 证。筵点章绘出了基于i p 的s o c 系统集成，系统集成以预先设计好 的j p 为起点，对于不问形式的i p 除了提供其设计数据之外，还在各 个抽象层次的设计基础上提交了相应的信息。系统集成采用主流的数 字电路设计流程，通过r t l 代码的综合、布局布线和物琏验证等步骤 完成了整个芯片的物理实现。 f 论文中漫计的芯片一l i n e 采用t s m c 0 2 5 蚌m 疆瀑金属匆线兹铡 造工艺，在t s m c 0 2 5 9 m 豹多项疆晶基( m p w ，m u l t i p r o e c tw a f e r ) i 页目 摘 婪 l - 流片成功，并通过了最终测试。1 l 一 关键字：s o c i p ，低电压检哪? 蘩准电压? 综合必布局布线 ， i 一 摘婪 a 释s 霉袋a c 零 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rp r o c e s st e c h n o l o g yas y s t e m o nap c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) w h i c hi sc o m p o s e do fs e v e r n li c se a rb e i n t e g r a t e d i n t oac h i p ，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) c a l li m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c eg r e a t l ya n ds o l v ev a r i o u sp r o b l e m so f 袁p c bs y s t e ms u c ha s n o i s e ，s p e e dt i m i tc a u s e db yw i r ed e l a ye t c ，i tm a k e sg r e a ts e n s ef o rt h e d e v e l o p m e n t 0 fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y h o w e v e r ，a s t i m e t o m a r k e t p r e s s u r e s a n d c h i pc o m p l e x i t yg r o w ，c u r r e n td e s i g n t o o l sa n d m e t h o d o l o g i e s a r e i n a d e q u a t e f o r d e v e l o p i n gm i l l i o n g a t e s o c sf r o m s c r a t c h + r e u s eo f p r e d e s i g n e da n dp r e - v e r i f i e dc i r c u i tm o d u l e s ，k n o w n a s i p ( i n t e t t e e t u a | p r o p e r t y ) ，i st h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d t ob r i d g et h eg a p b e t w e e nl a r g eg a t en u m b e ra n dd e s i g n e rp r o d u c t i v i t y 。 a f t e rt h ed i s c u s s i o no fs o c d e s i g nm e t h o d o l o g ya n dt e c h n i q u ea ni p b a s e ds o c d e s i g ni sg i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n l i n ei s d e s i g n e d f o rt h e t e l e p h o n e w i t hs h o r t m e s s a g e s e r v i c e f u n e t j o n ，a3 2 一b i ti m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rc 8 c o r e ( c o m i n g f r o m m 4 c o r ei nm o t o r o l a ) i su s e da st h eb r a i no ft h es y s t e m ，s o m ea d d i t i o n a l i p ss u e ha sr a m ，i n t e r r u p tc o n t r 0 1 l e r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ， s o f i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c ea r ea l s oi n t e g r a t e do i lt h ec h i p t h ep a r t i t i 0 1 l o fs o f t w a r e h a r d w a r ea n dt h ea r c h i t e c t u r e d e s i g n o fh a r d w a r ea r e c o m p l e t e di n t h es y s t e ml e v e ld e s i g no fl i n e t h em a i ng o a lo ft h i s d i s s e r t a t i o ni st op r e s e n t8d e s i g no ft h ea n a l o gi p , c a l l e dl v d r e s e ta n d t h es o ci n t e g r a t i o no fl i n e l v d r e s e ti s d e s i g n e d t od e t e c t s u p p l y v o l t a g ei n o r d e rt o p r o t e c tt h ec h i p ，a f t e rt h e s c h e m a t i ci sv e r i f i e db y s p i c es i m u l a t i o n ，t h ec u s t o ml a y o u ta n dp h y s i c a lv e r i f i c a t i o n a r em a d e s o ci n t e g r a t i o ni sb a s e do nt h ep r e d e s i g n e di p s t ti si m p l e m e n t e db y s y n t h e s i s a n da u t op l a c ea n dr o u t e 。i nt h i s p r o c e s s ，h o w e v e r ，h a r di p s m u s tp r o v i d ee n o u g ha n da c c u r a t ei n f o r m a t i o na n dm o d e l si na d d i t i o nt o t h e i rd e s i g nd a t a ， t h ed e s i g ni si m p l e m e n t e db a s e do nt s m co 2 5 t t mt e c h n o l o g yw i t h 4m e t a l ，l i n eh a sb e e nt a p e do u tt h r o u g ht h et s m cm p w f m u l t i p r o j o c t w a f e r ) p r o j c o t ，a n dp a s s e dt h ef i n a lt e s t k e yw o r d s ：s o c ，i p , l o wv o l t a g ed e t e c t ，v o l t a g er e f e r e n c e ， s y n t h e s i s ，p l a c ea n dr o u t e 独创性声明 本人卢f j j j 所早交的：学位论文是本人在导师指导f 进行的研究j 1 作及取得的研 究成果。掘我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥b 一! ：业杰堂或其他教 育枧搦的学佼绒证溶磊幢瘸过的瓣褥。与我一嗣一_ 馋蕊| 司志列本垂拜究所徽黪任何 贡献均己办论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：f 扒黄 签字嘲哆年蹦绷 学位论文版权使用授权书 本学何论文作者完全了解金8 b ：i 些盘堂有关保留、使h i 学位论文的规 定，订权保留势自国家宵关帮门或机构送交论文舱复印纷和磁擞，允许论文被轰 藤番l 蒋阀。本a 授权佥筵上壁叁堂可| 冀将学位论文靛全部或部分论文内容编 八有天数据库进行检索，可以采_ i ! f j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密瀚学位论文在解密后适j _ 本授权书) 学位论文f 4 ：者签名 ( ；r 绶 铷橼“声留 签字日期p 1 年 y 月、b 日签字日期：) 年弋月掣咱 学位论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地址： 电话 邮编 数i 舅 致谢 本论文是在刘声雷和高明伦两位导师的悉心指导下完成的。两位 导师学识渊博、治学严谨、诚恳待人、诲人不倦。他1 f 对科学的认真 态度和崇高酶黼德怒我永远学习瓣稽模，并将饺我终鸯受盏。衷心懑 时两位导师的培养、支持和教诲! 三年来，潘剑宏老师对我的学习、 科研、工佟积生活都绘予了精心豹指导秘充分数关心，在此装示衷心 的感谢! 感谢苏州崮芯高级工程燃李苏宁的有益指导和大力相助。 感谢胡永华博士、王锐老师、博士生张溯、李丽博士、博士生杜 赢 鲥、蹲士尘孙海平对我的j ：作给予的大力支持以及对论文提出的宝 贵意见。 感谢短消息芯片项目组硕士生蒋召宇、鲁靖梅、黄f 峰、紫金青、 l ：毅、访伟、齐海鹅给予的热德帮劲。 感谢栾铭老师、许晓琳老师、李伟老师、邓红辉老师和王晓蕾老 师鹩关心秽黎鼢。 感调十合肥工大微电子设计研究所林微和杜艳英的热情支持。 感谢合肥工大微电子设计研究所所有同仁陪我度过的三年美好时 光。 特别感谢我的父母多年来的培养、帮助、关一t b 和支持。 感谢中匿科技大学镌理系2 0 0 0 缀研究生李云漳对我豹鼓藏和豢 助。 围时，感谢垂鼋荐在我成长遴黪羔绘我教育、培莠_ 摹瑟关心戆老烬、 同学和朋友们! 捡诺 2 0 0 3 年4 月予工大微电予掰 第一章鳍论 筹_ 耄绻论 1 1 徽电子技术发藤的背景撇述 霜露，咒乎每个入懿露以感受翻一场跨越时空豹馈怠技术革命给 戏们带来的影响，信息技术已经广泛地应用于国民经济、固防建设、 乃至家斑生活懿各个方嚣，它正改变嚣我们酶生活方式鹣生产方式。 嫠惑投零麴基爨藏怒镦电子技术。徽泡予技术无论莛飘箕发袋瓣速度 和对人类生产和生活的影响都可以说怒辩学技术史上空前的，是萁 宅 任何产_ t 所无法比拟的。 从1 9 4 7 年晶体管的发明和1 9 5 8 年集成电路的发明到现在，集成 您瓣：l ：琶技术萋蠢器件物理霞绕着“等魄饿缩，j 、”这一舔点取褥了不数 麴避步鞫巨大懿成功。睾导体器传沟道长发帮长宽尺寸款缩霞一方藤 撵赢了毫臻韵蒸成凄，贯一方嚣翻鬟舞了电路翁速囊，遮藏蕊零骞在鞫 样大小的芯片上可以黧成更多的晶体管，从而实现更复杂的功能并获 褥爨懑的速度与可靠燃。因此一块芯片在获缛熨复杂煦功能翻更优良 的性能的同时，成本也不断下降，追求懑商的髓能价格比成为了集成 电路发艇鲍重要动力源泉。正如i n t e l 公嗣创始人之一g o r d o ne m o o r e 9 6 5 笨所预言豹鼹撵 罄名翡摩系定撵) ：粲戚电路按熊簿黼3 年集藏 发增加4 倍，特，怔尺寸缩小2 倍静述发发震。这期闯，爨然有很多入 礞灏运释发展趋势将减缓，毽是徽毫予产整3 0 多年来发藤舷状况证实 了m o o r e 的予页言，而且据预测，微电子乎n 支术的这种发展趋势还将继续 “f 去。潋最育霞表经豹黛藏逛路存储器酾c p u 为铡，在集成电路的 特征尺寸从1 9 7 8 年泌l o 娃发展到2 0 0 0 年的0 2 5 旺的过褪中，d r a m 鼹 銮餐麸1 9 7 1 年熬t k b 铡2 0 0 0 年已达l g b ，c p u 鼹曼三颧龟获7 0 年我 的7 5 0 k h z 发袋到2 0 0 0 年的l g h z ，并鼠预诗2 l 氆绝的徽毫子技术将 从鞠前的3 g 时代逐步发展到3 t 时代( 即存储容爨出g 位发展到t 位、 集成电路器佟的速度潦g h z 发震翻t h z 、数据传输速率宙g b p s 发袋 到t b p s ；注： l g * 1 0 9 ，l t = 1 0 ”， b p s 为每秒传输数据的位数) 。 黎成电鼹静集成发越交越熹，罄经西激怒整个系绕帮集熊在一个 芯片之内。丽嚣蘸绝大多数熬整辍系绕酃是遥遭津鬟邀鼹投( p c b ) 蒋蚤 令蕊麓连接越来缀或豹，摄然芯，跨本囊功耗，j 、，速度恹，但印捌电路 板带来的连线延时和噪声却大大降低了系统性能，成为系统发展的械 颈。在这样鳃技术攫幼与需求牵引下就出现了系统芯片( s o c ，s y s t e m 捧章绪论 o nc h i p ) 。 系绞芯片邋常指在单一芯片上实现豹数字诗冀扭系统。该系统应 包含两个基本的部分：硬件部分和软件部分。硬件部分倪括u p 、b u s 、 r o m r a m 、t op o r t 等计算机的基本部件；软件部分主要指操作系统， 也可以包括重黉的应粥软件。 与在印刷电路板上实现的板级系统相比，系统芯片在性能方面有 着无法比拟的优势，如： o 嵌入式模拟电路的c o r e 可以抑制噪声问题 o 降低功程，不嚣要丈量懿输出缓净器 o 使d r a m 和c p u 之间的速度接近 o s o c 与出 e 缀藏的系统相比，由予s o c 能够综合并全盘考虑 整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的 系统指标。 另外，从产品的开发角度来讲可以极丈建降低整个系统静开发费 用，尤其对于消费类电子产品而言系统芯片的开发可以大大地缩短产 品靛蕊市时闻f t i m e t o m a r k e t ) 。 然而，系统芯片与我们通常说的专用集成电路的设计思想以及设 诗方法都是煮送别熬，它是微电予设诗领域乃至整个售息产业的一场 革命。 1 2 本文的章节安排及主要内容 本文的研究内容来源予： 国家8 6 3 计划项目“超大规模集成电路i p 核接口及相关技术” 谋蘧缡号：8 6 3 一s o c y 3 1 ) ； 国家信息产业部“嵌入式3 2 位微处理器开发及产业化”f 信运 部【2 0 0 l 】9 0 0 号) ； 本文第二章介绍了s o c 与i p 产业的背景情况；基于i p 重用的s o c 设计方法学以及国际i p 标准化组织v s i a 的标准化工作；并对支持s o c 设计的理论与技术假了简单的探讨。第三至五章基于个s o c 的开发 重点描述了模拟i p 设计和系统集成的部分。其核心是3 2 位的嵌入式 微处瑗箍c c o r e ( 来鑫m o t o r o l a m c o r e ) ，开发霸标是一款支持围话簸 消息功能的电话机芯片，产品命名为l i n e 。 第二帝系蕊酎；$ 0 c 等始识产校摸块l p 第二章系统芯片s o c 每知识产权模块茎p 捎凳；本章首先介纲了s o c 及i p 产业出现的背景，对i p 以及蒸予i p 重用的 s o c 设计方法学进行了探讨，弗对国际i p 标准化缀织v s i a 、i p 棱的标准 七：l 。： 乍以及v s i a 薛竣莲秘拣漆黯遐避l p 及s o c 没计熬作j | l 鄹影h 巍进行了阐述， 最胼灯纳弗总结了s o c 设计的枢关理论矛技术。 2 。ls o c 麓l p 产篷 鞠翡集成电路的设计能力和工具黥力远远落后于半导体工艺的发 展。图2 1 给出了工艺技术发展与i c 设计效率之问的剪刀潍示意。加 之s o c 的设计又菲常缀杂，需要投入大黧的入力稻物力，荦独靛个 公司几乎刁i 可能糖有足够的王程资源秘经费来避行整个s o c 的开发。 设汁鼹力秘工艺莲 乎之瓣获矛莲菠为了s o c 笈震过程中令a 鬻突窭 的障褥。基子i p 重用滟设计方法学魑警煎解决这一矛藉非常有效翁办 法。菠溪d a t a q u e s t 全球半导体部善露分辑烬j i mt u l l y 撩爨，l p 模块 是设计重用的关键部分，是结束“设计间距”唯有效的方法，如果 没有它，半导体生产侮和o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 供应 巍投本无法达弼今天已经达强蕊隶乎。 孽 一k 冀伯卜一型鬯科正 一谶雌翔 蓁三匡一 第二章系统芯s o c ，知识产权模块i p 本身不涉及具体的物理实现，因此有着很好的灵活性，但同时导致了 性能上( 比如时序、面积、功耗等方面) 的不可预知性。另外，软i p 在 使用时需要冒相当大的知识产权保护风险。 硬i p 是经过布局布线并针对某一特定的标准单元库优化过的网 表或是物理级版图。通常是g d s i i s t r e a m 的文件形式。在功耗，尺寸 等性能方面都作了充分的优化。有着很好的可预知性，但由于对工艺 的依赖性使得其灵活性和可移植性都较差。 固i p 一般都已经基于标准单元库进行了综合，常见固i p 形式是 网表。因此其在结构、面积以及性能的安排上都已进行了优化。固i p 提供了介于软i p 和硬i p 之问的一个折衷方案。比起硬i p 它有较好的 灵活性和可移植性，相比起软i p 又在性能和面积上有较好的可预知性。 随着软硬件协同工作领域的不断扩大和深入，嵌入式系统中的软 件目前也被设计工程师们视为是i p 的一种形式。 i p 起源于i c 生产加工线所提供的标准单元库。i c 设计公司使用 单元库中的元件模型把基于高级语言的行为级描述转换为基于电原理 图的网表。在一定意义上说，生产线提供预先设计好的“功能块”，而 设计公司则是系统集成公司，只不过在这个层次上功能块的规模仍然 一卜分小( 逻辑门) ，设计公司的工作量仍然十分繁重。随着设计规模的越 来越大，一个合乎逻辑的发展是：增大标准功能块的规模，以减少设 计公司的重复劳动，从而使设计周期仍然保持在合理的时间范围内。 因此我们可以看到系统芯片与一般的集成电路设计有个重要的不同之 处就在于其系统级设计与物理设计的界面已经不再是传统意义上的标 准单元库，而是具有一定规模的功能模块或是子系统。这样就可以大 大地提高s o c 的设计效率。美国c o l l e t t 公司曾作过这样一个分析， 在通过对二十余个i c 设计团队，近百个具体的电路进行跟踪量化比较 后发现，i p 重用技术对集成电路设计，尤其是s o c 设计生产率提高方 面的促进作用相当的显著。从图2 2 中可以看出，在1 9 9 7 年，每个设 计】：程师进行新设计时的生产率为1 1 0 0 个晶体管n ，而采用i p 模块 进行设计的生产率为2 1o o 个晶体管周。到了2 0 0 0 年，每个设计工程 师进行新设计时的生产率仅增加了一倍，为2 6 8 3 个晶体管周，而采 用i p 模块进行设计其生产率约为3 0 0 0 0 个晶体管n 。 以i p 产业的诞生为标志，集成电路产业在过去的几年里开始了新 一轮的分工。具体表现为一些中小规模的设计公司( c h i p l e s s ) 提供商业 化的i p 核设计，而大公司则购买这些设计成果并逐步向系统集成公司 的方向发展，如图2 3 所示。 笫一章 系统芯”s o c 与知识产权模块l p 炙 ， 厂泛。 甚盥几豳豳 1 9 9 7 拒2 0 0 0 年 幽2 2i p 重川对设计生产率的促进作用 2 2s o c 与i p 的设计 7 0 8 0 年代 ： 8 0 9 1 1q 图2 - 3i c 产业的三次分丁 1 p c h i p 根据处理信号类型的不同，集成电路一般可以分为数字电路和模 拟电路，i n 样i p 也据此可以分为数字i p 和模拟i p ，它们的设计方法 以及在系统芯片中的集成方式都是截然不同的。 2 2 1 数字i p 的设计 数字i p 的基本设计方法与一般的数字集成电路的设计方法是一样 的f 如图2 - 4 所示) ，在确定电路需求后通过硬件描述语言编写寄存器传 输级的代码( r t l c o d e ) ，再通过综合工具和f o u n d r y 提供的综合库生成 门级网表( g a t e l e v e l n e t l i s t ) ，最后经布局布线生成版图。经过验证的 i p 可以以这一设计流程中形成的不同形式一一r t l 代码、门级网表或 肿 脚 脚 舢 脚 胛 。 鲫 巧 加 ：2 m ； 第一二章系统芯s o c l j 知识产权模块l p 是版图等进行i p 的转让和集成，每种描述形式就对应于前面所说的软 i p 、固i p 矛口硬i p 。 瓴两 2 2 2 模拟i p 的设计 幽2 - 4 数字电路i p 的设计流程 石五高 璺竺 ( 贰 、 模拟电路与数字电路的设计方法和设计流程则是完全不相同的。 半导体器件的二级效应对模拟电路有很大的影响，模拟信号的处理不 仅对速度和精度的要求比较高，而且对噪声、串扰和其它干扰比数字 信号要敏感得多。因此模拟电路的设计很少能够自动完成，通常每一 个元件都要“手工设计”。并且对于版图的要求也比较严格，一般都采 用全定制的版图设计方法。 图2 5 给出了模拟电路设计和仿真的一般流程。模拟电路与工艺 的联系比较紧密，在确定了电路的功能性能参数之后，首先就要确定 s p i c e 仿真工具和f o u n d r y 的s p i c e 模型。电路设计者通常要先搭建电 路结构，确定设计参数，并进行各种类型的仿真，如直流分析，交流 分析，瞬态分析等。这其实是一个反复仿真、调整和修改的过程。在 满足设计要求后要进行工艺容差和温度的仿真。最后还要用s p i c e 模型 提供的最坏情况组合参数进行最坏情况分析，以保证电路在不同工作 环境和加工条件下的性能稳定。 在模拟电路的版图设计完成后需要进行物理验证以确保电路设计 的正确性，物理验证包括几何规则检查( d r c ) 一一确保版图符合设计规 一笙三翌墨篓照! j ：1 2 1 兰垫望妻墼篓堡! ! ! 娥秽燃衷致性捡褒( l v s ) 一确僳版簦与电鼹的一致瞧。时于功能复 杂、娩攒较大的电路有时还需器从设计好扮敝鎏中掇取电路参数，迸 行仿真验证。从模拟电路的设计方法可以褥出，模拟i p 没有像数字i p 那样存在的软i p 形式，一般都以硬i p 的形式存在。 圈2 - 5 模援电黠l p 静浚诗渡程 2 2 3 錾于i p 的s o c 设计流粳 魏蘩韵s o c 设计滚程翔麴2 6 繇示。 由于s o c 必须包含嵌入式软件，所以软，硬件的划分是整个系统体 系结构确立的一步重要工作。确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由 软箨实现，并且尽爨保证在充分利用硬件资源的基掰妊上节约成本并达 鬟最好豹效栗。在完癜s o c 软蹲g 孛稳翻分震，敦 孛鞠硬 孛熬设诗任务 就可以同时并行开展。软件的开发一般基于处理器的指令集( i s a ， i n s t r u c t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) ，主要包括系统的操作系统和应用软件 嚣部分。露s o c 中硬件设计翳主要任务则是规划系统的体系结构，确 立各个功能模块瀚功能和互连协议并据戴去选择合邋豹l p 。鬻我s o c 第一章系统卷嚣$ 0 c4 i 知 鬟产毅模块l p 8 的设计不是从零开始而匙个i p 集成的过程。 按照圭浚豹数字集戏电路斡设谤方法，s o c 仍然要遘行总体戆 r t l 设诗，设计一些磐黉的接口，实现各个i p 之问的互连，从而完成 个完整的顶层描述；然后再经过综合和布局布线，完成物理的实现。 然而这只是一个理想的设计流程。在实际工业应用当中，i p 重用并 嘲2 6 基j rj p 的s o c 设计_ ；j i 程 非如我们想魏的那样简单，可以有效和自由地“拼装”到一个系统芯 片中去。首先裁不同形式鲍i p 丽蠢想要集残在一个系统中麟会面l 斑不 同的阕题。在i p 设计、携选以及集成的过程中缺乏足够麓文橙、缺少 系统级评估模型、电学特性的不匹配、版图的不匹配、工具使用的不 匹配、多重测试协议的使用、多重模块接口协议的使用等问题严重阻 褥了s o c 蠡穹抉速发震。 “虚拟掭寝接口联盟”( v s i a ，v i r t u a ls o c k e t 笫一章 系统芯 s o c j 知识产权模块i p i n t e r f a c ea i l i a n c e ) 就是为了解决这样的矛盾应运而生，它的出现大大地 摊进了整个产业的发展。 2 3 国际i p 标准化组织v s i a 与i p 核的标准化 l9 9 6 年9 月成立的“虚拟插座接口联盟”f v s i a ，v i r t u a ls o c k e t i n t er f a c ea l l i a n c e ) 是在半导体产业中从事i p 核设计规范化和接口标准 化的国际权威组织。其唯一目标就是，通过制订能够推动混合和适配 ( m i x & m a t c h ) 不同厂商提供的i p 的公开标准来极大地加速s o c 的开 发。在v s i a 提出的基于i p 重用的s o c 设计方法学( 图2 7 ) 中更加凸 现了这种作用。如图可以发现，s o c 的设计被明确地分为两个部分： i p 的丌发和i p 的集成。i p 的开发者通常要按照t o p d o w n 历经图左边 整个设计和验证流程。i p 的集成者则要遍历图右边的整个设计和验证 流程，系统集成是一个从抽象描述到物理实现逐步细化的过程。不同 彤式的i p 包含了不同的设计信息，在s o c 集成的过程中为了确保不 i 司模块之间的匹配与系统整体设计的正确性，i p 开发者除了提交i p 的 最终设计数据之外还必须提交各个环节所需要的信息。i p 集成者则必 须得到这些数据来完成整个系统芯片的设计。中间阴影部分，i p 丌发 者和集成者之间需要交换( 主要是由开发者向集成商提供) 的数据、文档 等的标h i 化是v s l a 所希望解决的主要问题。 2 3 1v s i a 组织简介 作为一个开放的组织，v s i a 鼓励集成电路产业各个领域中的单位和 个人的参与，以体现和反映i p 产业和集成电路产业各个环节在标准化方 而n 勺需求。到目前为止，有2 0 0 余家公司加入了该组织其中包括i n t e l ， p h j p s ，t i 等芯片集成公司， a r m 等i p 设计公司，c a d e n c e 等e d a 公 司和t s m c 等芯片制造公司，涵盖了i c 产业的各个领域。 v s ia l l i a n c e 根据i p 设计和芯片设计以及贸易流程，确定的工作 领域如下：系统级设计( s y s t e m - l e v e ld e s i g n ) ； 实现验证 f i m p le m e n t a t i o n v e r i f i c a t i o n ) ；功能验证( f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ) ；物理 测试f m a n u f a c t u r i n g r e l a t e d t e s t ) ：v c 转让( v i r t u a lc o m p o n e n t t r a n s f e r l ：i p 保护( i pp r o t e c t i o n ) ；片上总线( o n c h i pb u s ) ；模拟混合 信号( a n a l o gm i x e d s i g n a l ) ；基于平台的设计( p l a t f o r mb a s e dd e s i g n ) ； 嵌入式软件( h a r d w a r e d e p e n d e ds o f t w a r e ) 和v c 质量( v cq u a l i t y ) 。 每个技术领域内都分别对应一个开发工作组( d e v e l o p m e n t w o r k i n 2g r o u p ) 。8 个工作组并行地开展工作。每个工作组有个主席 和来自成员单位的1o 2 0 名工程师。工作组定期召开会议或通过电话 撼二章系统嚣片s o c ! - j 受l 识产椒接块净 会议形式进行技术交流和协商。每个工作组开发自己所属领域的规范 和文档，交技术整员会、指导委员会和其能成员审阅。 2 3 2v s i a 标准对i p 产螗的作用 标准化的工作希望通过制定“标准”为i p 的煎用和s o c 的集成扫除障 碍，又不希颦由于标准韵盘瓷妨礴技术的发展，因i 毙v s i a 试图扶“肉 塑垄篓壅，：燮退：燮叁壅囊 霞霄张茬 鬻 验证漉程鬯! ! 苎! 。嗣! 黜 溺镬 。趟篓蛄| l i 西黔r t 鬟l 黛 嚣 械软 填 镭 灞攒 穗j 莓鑫囊蘸 士 宣蠹 件 仿 真 群 j 事局校鬻黧 橱 莰谊 与 辑 糕澜 计 计肖 厂卢j 湖 划 】 弋 崮砝 。b j 1 t k 吐索删1 p “篝叫1 图2 7 基于i p 重川的s o c 设计方法学 容”和“形式”两个方面作为切入点。从以下三个角度支持i p 重用技 术的发展。 1 ) 铡定“标准”( s t a n d a r d ) 。标准是对电路设计的各个方面进行描 述和定义，如体系结构、总线、算法、代码、语言、格式和协议，目的 是为了标准化所有i p 的自身设计及其相关辅勐设计，戳便予l p 的无修改 第一二章系统芯s o c 。j 知识产权模块i p 集成。这是i p 标准化的技术方面的考虑。 2 ) 制定“规范”( s p e c i f i c a t i o n ) 。即定义可以完整地描述i p 所需的最 小属性集合。集合中的数据由i p 供应商提供，包括i p 设计中使用的输k 输出数据、模型和工具。其目的是为了使i p 用户可以快速准确地理解所 购得的i p 产品。这是i p 标准化的商业( 技术) 方面的考虑。 3 ) 9 0 定“文档”( d o c u m e n t ) 。即统一i p 、芯片和s o c 设计领域中的 术语和概念的定义。 经过6 年的发展，在全体成员的共同努力下，v s i a 积累了相当成熟 的面向i p 制订标准的经验，制订出1 1 份标准和规范，以及其他一些辅助 文件，见，表2 1 。 表2 1v s i a 制订的文档分类 类型文件名所属工作组 v c 物理标记标识标准i p 保护工作组 v c 接口标准片上总线工作组 标准v c 描述、选择、转让属性标准v c 转让工作组 系统级行为文档标准系统级设计工作组 测试访问结构标准测试工作组 模拟混合信号扩展规范模拟混合信号工作组 模拟混合信号信号完整性扩展 模拟混合信号工作组 规范 软核v c 和固核v c 结构、性能和 实现验证工作组 规范物理建模规范 片上总线属性规范片上总线工作组 v c 转让规范v c 转让工作组 面向v c 供应商的测试数据交换 测试工作组 规范 这些文档是v s i a 的标准化成果，它们在i p 设计者与i p 集成者之 间起着良好的桥梁作用。对于i p 的供应商和设计者而言，文档从内容 和形式两个方面定义了i p 的最终用户在集成产品设计时能在充分理解 v c ( v i r t u a lc o m p o n e n t ，v s ia l l i a n c e 定义的专用名词，特指符合v s i a 规范和标准的i p ) 的基础上进行重用所需要的文档和数据格式。对于集 成商和其他公司而言( 如e d a 厂商、f o u n d r y ) 贝0 提供了可以根据文档对 v c 进行合理评估和相应技术支持的依据。 2 4s o c 设计的相关理论与技术 第一章 系统，卷s o c ，知识产税模块i p s o c 的出现是一哥中概念上的突破，它不仅促成了集成电路产业的 瓤一轮分工和l p 产业的形成，同时在理论与技术方殛也带来了谐多毅 兴靛磷究课题( 如图2 8 ) 。 ( 1 设计重用技术：藩澎已经提到基于i p 熏用的s o c 设计方法 学与强际标准纯缝缎v s i a 及其标准佬f l 冬工修。在_ 寞实工业实践秘理 论研究中，基于i p 蓬臻的s o e 设计还会瑶牦很多阍题。比如，s o c 的系统缀设计过程中需要考虑i p 静选用、多个i p 在系统中抟验证以 及测试问题；系统集成的过程中接日综合的闻题等。另外还有l p 本身 s o c 设计 的理论与 技术 路设计技术 ，蒸于礤的系统设计技未 l 多瑶系统验证与测试技采 l 肼殳计技术 、接口综合技求 r 较硬件协同设计与验证援术 j 基于硬件的较件结构生成 l 面向较件的多处理单元硬 中结构设计 ， f 时廷驱动逻辑设计拽采 t 时序综合技术 l 低压低功耗设计技米 面向设计重用的设计技术 可测蛀设砖 燃2 * 8s o c 棚关的理论却技术 的面国篷用设计技术，比如，出于整个系统援摸巨大给测试带来很大 的困难，霞此在l p 设计过程中就要考虑豹可测牲闷题等等。 ( 2 ) 软，硬件协问设计技术：系统芯片与一般集成电路的最大不露 之处就在于嵌入式软件的介入。西此在软硬件划分之蒲，蓄先需要在 足够抽象的层次上f 如，功能级( f u n c t i o nl e v e l ) 或行为缀( b e h a v i o r l e v e l ) ) 进行软硬件协同的设计。其体来说，它又可分为“软，硬件协闻 设计与验证技术”、“基于硬件的软件结构生成”、“面向软件的多处理 单元硬件结构设计”等。 ( 3 ) 深亚微米级电路设计技术：s o c 通常设计规模庞大，因此一f - 分赖于深距微米加工技术。深亚微米工艺给电路的设计带来了一系列 以前从未碰到过的问题，首先是时序收敛问题( t i m i n gc l o s u r e ) 。原来影 哟电路时序的因素主要来自预先可估计的器件媳时，而进入到深亚微 米以磊，连线延时已经代替器 牛延时在整个延时中占了5 0 以上的比 例，然瓤连线只有在进罨亍蜃端的物理设计后才能准确知道，传统的前 拳分技 划，毽拳件验技硬式合软影豫 ，；j、，； 婪二零系绞葱嚣s o c5 i 知识产较搂块l p 端 _ 计与后湍设计分离的设计方法会由于设计迭代过程不收敛而导致 设谴失败，深疆微米设计中解决该| 、嘏题的方法就是把前端的逻辑设计 与磊端的耱瑗设诗联合越来同时送行。并由鼗两产生了“时延驱动逻 辑泼计技术”和“时序综合技术”的课题研究。另外由于先进的工艺 铮致整个系统功耗下降，片上系统常常被用于便携和低功耗的产品， 缀此低压低功耗豹设诗技术也残为涤亚微卷设计豹一个熏器阀题。深 弧微米设计不是s o c 特有的闻邃，丽是工艺技术发展到今天必然出现 的、具有普遍性的问题，只不过在s o c 设计中驻得更为突出。 本文在接下来的三帮中给出了一个固定电话短消息系统芯片一一 l i n e 兹开发过程。l i n e 基予c c o r e ( 寒壹m o t o r o l a 豹m 4 c o r e ) 及其 s o c 的设计平台以及预先设计好的i p 进行开笈帮集成。本文主要按照 s o c 的设计流程，在第三章介绍了l i n e 系统级的总体设计；在第四 章q ，给出了l i n e 中的个关键模拟i p 模块的具体设计过程和方法； 簸焉蠢第五章中礤究了熬个基于l p 瀚s o c 集成过程。 第二章l i n e 的总体设计 第三章l i n e 的总体设计 摘要：基予第二章提出的s o c 的设计方法学，本章介绍了l i n e 一一款支 持同话短消息功能的s o c 的总体设计。首先给i 圭l 了l i n e 的软，硬件划分，并委 点描述了冀硬件架构静设计。就橡入鹣头臃黍 骨髓，徽处理嚣及其总线秘成了 整个芯片项层设计鳇最主要困素：l i n e 采髑的是3 2 位嵌入式微处理器c * c o r e l i p s x f r e r r i p sl f o d u l e h = = = = 2 。一 1 。_ _ ，h + h - v - - h v _ - 。1 1 【2 1 1 i p s a d d r i p s b 卅e - 1 58 + i p s m o d u l e e n i p s r d a t a i 5 ：0 】 ：= = = l 强3 - 8i p 与l p 总线豹接墨镶号 i i l 接口协议 总线做为启动设备通过使能信号和读写信号来选择i p 并启动读写进 程，当错误发生薅，| p 念发窭锤误拯示售号( 热烫3 - 9 ) 。 蚕 第三章l i n e 的总体设汁 请求内容一 i p b u 8 。 握手 工p 工，f i ，f 响应内客 图3 9i p 总线握手响应示意图 下面给出了i p 侧正常读写、阵发传输及中止的传输协议的示意图。 c 1 0 c k a d d r w d a t a r d a t a b y t e r w b 1 0 d u l ee n x f re r r nn1 几了ll- 7 几- _ l广 几厂 i 曲r e y l # 廿t i l “ ， 图3 10i p 侧的正常读和写操作 几一几一 i 厂z _ 一 o l 4 i 8 i 1 2 ii l2 0i2 4 - 2 8 i i i i 2 l 3 l 4 i j l 6 l l i - i l 谁雕号柑螅 i 、 ：i ， - # * 自* 虞-、i ， l 、 图3 1 ii p 侧的阵发读操作 第三章l i n e 的总体设计 c l o c x 厂 厂 厂 厂 厂 广 厂 厂 厂 厂 r 厂 n a m 脚衄脚旺二二e 二巨 互巨 三瑚嘲咖删脚 r d a t n 哪脚田础岫皿口二工二 三二l z 【二删鳓咖l “y t 。姗硼哑虻玉亟二二二二二二二二二= 翮姗哪 r - b 厂 。： - 。d u l e e n 厂 图3 - 1 21 p 侧阵发传输的中止 3 2 4l i n e 上的其他i p 模块 除了c4 c o r e 和片上的r a m 以外l i n e 还包括时钟发