（电子科学与技术专业论文）x微处理器功能验证方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t a r c t n o w a d a y s ， i no r d e rt o i m p r 0 v em i c r o p r o c e s s o rp e r f b n n 越c e ， d e s i g 舳e r sa p p l yn e w a r c h i t e c t e s t h e s ea r c h i t e c n l r e si m p r o v et 1 1 ep e r f o r m a i l c ea sw e l la sm a l d n gm op r o c e s s o rm o r e e o 趣p l e x 。蕈& i n c 辩3 s eo f 氆ee o 撤窭e x i y 蠢蠡也el o 藤o f 氇ed e s i 髂e r s ，a n d 嘏旅e s 氇e v 嘶f i c a t i o nm a c hm o r ed i 蛳c u l t d i 仟b r e n tf m mo t l l e rd i g i t a lc i r c u i t s ，恤em i c r o p r o c e s s o rd e s i 肌 。触j 1u s e s 盘h c h s 幻mm e 抽o d 。t 孰of h l l - c u s f o mm c t h o di sd i 豌辩l l t 蠡o m 谯es e m i e u s 毛o m m e m o d m o s tp e o p l ep a ym e i ra t t e n t i o nt o 俑ev e r i f i c a t i o nm c t h o do fs e m i c u s t o md e s i g n ，a n d t h e r ei sal a c ko f v e r i f l c a t i o nm e t l l o df b rf - u 1 1 。c u s t o m 髓l i sp 8 p e f 呈s 搬蘸n 每曲 镪e 甄l e t i o nv 赢蠢c 森滩o fx p e e s s o x o e e s s o fu s e s f u l l c u s t o md e s i g nm e t h o d ，i n c l u d e sd y n 啪i cb r a i l c hp r e d i c t i o na 1 1 ds u p e rs c a l a rt e c l l i l o l o g y ，a n d i t ss e 瓤ei sv o r yl a f g e 。王no f d e ft ov a 王i d a t e 也e 唾班，谨em 璐ta p p l y 鼬c 蛀o nv e 娃f i e a t 呈o n 。 b a s eo nt h es t u d yo fa r c h i t e c m r ea n dm ed e s i g nm e t h o do fxp m c e s s o r t l l i sp a p e rr a i s ea n e wv e r i 矗c a t j o nm o t h o df b r 如u c u s t o mm j c r o p r o c o s s o f s t h en e wm o t h o dc a nb ed h 哇如di n t d w op a n s ：氆ec o n s 讯l c t i o no fv 砖磊c a 蛀o n 猫o d e ia n d 氇ee o 赫s 缸i e t i o no fv e 癌最e 反i o n 蝶a f o f m n o tl i k et i l es e m i - c l l s t o mv e r i f i c a t i o nm o d e li sb u i l t 矗o mm ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，t h e 热1 1 c u s 圭o mv 商蠡c a 蠢。珏臻。硅e li sb 畦l t 熟瓣懿1 锚或o m s i 鼹魏奴强ed i 攫e u l t yo f 懿s m e t h o di s 协a tt h cw o r k l o a di sh e 扑饥a r l di t sh a r dt oe n s u r em ec o n s i s t e n c yo f d e s i g nm o d e la i l d v e r i f i c a t i o nm o d e l 。w er a j s eam o t h o dt oi n s 妞l c tt l l e s ew o r l ( s u n d e rt h ei 堇l s m l c 吐n 鼗o ft 1 1 i s m 韶重量l o d ，i t sm 畦c he 8 s i e r 耄ob 茁话v e r 主鑫e a t i o 飘m o d e 重，a 药dc a 薹lm 蠡涟s t 瑗e 氆e 舔麟g 难m o d e la n d v c f m c a t i o nm o d e li sc o i l s i s t e n t w h e nw eb u i l dt l l ev e r 洒c 砒i o np l a t f b r m ，w e 咖d yt h e s 钮t e o f - a 娃e o 翔翻e r e i 蠢v e 聂蠡e a 圭i o np l a t 受f 藏，蕊s e 也el l 疰曩e dv e f i 呈e a 主i 娓o n v l 鳓凇e n t 。a n dp l 缱 i ti n t op r a c t i c e t h exp r o c e s s o rv e i 萱f j c a c i o nm l i f i e dv e r i 五c a t i o ne n v i r o m e r l tc o n s i s t so fn l r e e p a r t s ：s o f c 、v l r es i m u l a t i o np l a t f o n l l ，h a r d w a r oe m u l a t i o np l a t f o i ma n df p g ap r o t o t y p ep 】a t f o r m 1 n 重h i s 讲o i e c t ，u s i n 惩o u rv e d 嚣c 撕o n 撒e 也o d ，xp r o c e s s o ri sw o l lv a 圭i d 湘斑 董( 锣w 。一8 ：薹镶辫c 珏s 协融，醒i e r 牡p 凇e s 轮b 萋k 毂c 童耋。珏v e 一董薹e 鑫謇轴珏，粉g a ，p 羚l 。! 哼p e s y s t e m 国防科学技术大学研究生院学位论文 圈目录 图1 开发中验证所占比例1 强2 在不翔设诗除段改歪镨误熬花费3 图3 白盒、黑盒以及灰盒验证方法3 鬻4 滚行瓣功旋骏；歪方法4 图5x 微处理器的体系结构7 髫6 数字集成电路实现方法概述8 圈7 全定制版图8 图8 半定制设计流程lo 胬9 经典全定制微处理器设计流程一11 图1 ox 微处理器全定制设计流程“ 黧1 1 线魏鞠环形甜润驮期缝织方式1 5 图1 2 事件驱动模拟器核心算法1 6 嚣1 3v l 嬲x l 系歹f p g a 基本终车奄l ? 图1 4f p g a 可编程逻辑单元结构1 8 圈1 5v 臻譬8 x i l 系列f p g a 孛乘法器资源1 9 图1 6v l r t b x i i 系列f p g a 中块存储器资源1 9 图1 7 输入输出单元的一种配置状态2 0 翻1 8v i 斛e x i i 系列f p g a 中d c m 资源2 0 盟1 9 f p g a 中d c m 输出波形2 5 翻2 0 多媒体乘鞠簿俘结构及工作对锋要求2 5 图2 l 存储器模块的定界2 6 赘2 2 x | l l n x i s e e o r 置g 嚣n e r 盯拣产生密麓l 孩鼢综台鲦朵t ，- 2 7 圈2 3 动态电路替换时可能出现的问题2 8 爱2 4 动态电路辩镑产生魄路楚分淘题2 8 圈2 5 逻辑双比基本思想2 9 爨2 6c o n f o r m 熊c u s t o 妒工作流程3 0 图2 7c o n f o r m a l c u s t o ml e x 的工作流褥3 0 图2 8l e x 抽取示例3 l 翻2 9 c o n f o r m a ，验证平台使丽藏溯”3 2 图3 0 线形反馈移位寄存器基本结构3 3 鞠3 l 双侧箨走式随杌数发生器3 4 图3 2 验诫系统结构3 7 爨3 3e a 耠e n e e n c l s l v e 喾平台絮麴3 8 图3 4s y n o p s y s d i s c o v e r y 验证平台架构3 9 强3 5m 基n r g r a p h l e r 款s e a 泌b l v e 建 f l c a t l 渊验证絷摅”4 0 国防科学技术大学研究生院学位论文 剀3 6 覆盏率验证与传统验证方法的比较4j 鹭3 7v l r l v o s o 譬出的v e r l 乙o g 燃衰4 4 圈3 8 网袭处理流程4 5 圈3 9 网袭处理等价性保诞工作4 5 圈4 0 黄金参考模型4 6 图4 1 黄衾参考模毅中内存镜像图4 7 图4 2 内孩初始倪前代码4 8 图4 3 内桉临时使用的段袭4 8 圈4 4 软模羧平螽絮稳4 9 图4 5 硬件仿真加速平台架构5 0 强4 6r c c 基本絮掏5 2 图4 7 f p g a 原型系统平台架构- 5 3 髫4 8 3 0 0 0 k 1 然型开发板结搀5 3 国防科学技术大学研究生院学位论文 表露录 表lv i r t e x i l 系列现场可编程门孵刑资源袭1 8 袭2 指令的域3 5 v 独创性声明 本人声掰掰登交鹩学位论文楚巍零入程导舜糖导下避行酾研究工作及联褥魏艟 充成聚，尽我掰知，除了文中特捌劾苡标注和裴谢斑i 氇方外，论文中不包会其他人已 经发求和撰写过的研究成泉，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教襄帆掬的学 位轰谩带箍蹙璃造蜘毒害瓣。与裁一骥工佟镑麓志对本研究掰敲鹭任爨霞靛臻藏在论文 申终了明确鲢说镄辨基零谢意。 学位论文越鹭： 邀缝璧瀑凌缝簸壤发洼髓匿。 学位论文作者签名：融望日期：文够夸，a 月j a 日 学位论文版权使用授权书 本久究全了解躅防祷学技术天学寮美缳警、使孀学位论文的瓣定。本入授权溪 防科学技术大学可激保留并囱翟象煮关帮瓣或飒掬送交论文魏蔓留传靼电等文档，灸 许论文被蠢阅和借阕；可以将学位论文的金部或部分走豢缡入意荚数据艨遂季量捡索， 霹荻蓉攘黟露绱带或糨糖莓爱戴簪段霖存、汇编学位论文 椿密学位论文在解密箍透爝本授被书) 学饿论文邈搿： 薹畿盔蓬曩建雏釜瀵蠢洼鼗巍 。 学位论文作者鉴名：】隧亟 律喾撂导彀姆签名：旌蠡连 日期：泌牟l 文月妓隐 瑟辍： 叮颦，乍焉 气帮 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一耄绪论 隧羲集成瞧路制造工艺技术的不凝遴步，单芯片上可集戚的晶体喾数量不叛增长，这 给电路设计人员提供了更广阏的设计空间，儇同时使得验证工作更加困难，如何有效地对 赝设诗的芯片进行验诞成为集成电路设诗领域舱一个壤题。 验证的目的是确保设计实现了所需要的功能。当前，半导体设计行业中一般认为验证 投入不如设计投入，潦实去s 穰反，验涯正逐灏或为开发投入憋主要部分。在一个舞发矮嚣 组中，验证人员要超过设计人员，某些复杂设计中能够达到两至三个验证人员对应于一个 设计人员的魄倒。秀虽在时阉消耗上魄 豢大，握缀浮指出，没计邃驮逶掌努矮将其开发 时间与开发资源的5 0 一8 0 耗费在功能验证上，如图1 所示： 董9 9 6 3 0 万门 2 0 0 0 l 百万门 代码 _ ；_ i 验诚乇综合 p r 黧 找码 嚣黧曩慧黧j 嫠l 溪疑娶各螽隧* 誉翟爿篇： 综合 p r 匿1 秀发中骏证辑占毙倒 造成这一现状的主要原因可以归绺于两点；第一、设计的功能增加导致设计复杂性也 不繇羹鏊臻热，设诗燕模鞋葵尔法鬟指数量缀臻长。在疆坏的徐猛下，系统豹凌麓复杂经遣 会随蓿设计规模以指数量级增长，这导致验证工作量双指数级的增长。第二、受传统设计 蕊念魏影响，验 歪王佟并没鸯弓| 超足够豹重褫，逐渐成为瓶致。懿采骏汪没有穰大静突破， 验证工作还将继续成为设计瓶颈，影响整个微电子工业的发展f 9 】。 1 1 课题研究背景 微处理器的出现怒一次伟大的工业革命，从1 9 7 1 年至今，在短短三分之一世纪内，微 处理嚣的发鼹舅新月露，令人难以要傻。尽翦的p e n u l v 处理器魄1 9 8 1 每月于第一台 p c 机的8 0 8 8 处理器几乎要快近万倍。可以说，人类的其它发明都没有微处联器发展得那 么 申遮、影响那么源遮。长时闽以来，徽处理器设诗囊造技本一直被一些技术强国所撩断， 研制疑有自主知识产权的微处理器对于我国的经济现代化建设，国防建设以及信息安全具 有举足轻重戆l 乍用。 “十五”期问我圈在通用微处理器的研制方面开始了较大的投入。以科技部“6 4 位通 用裹瞧2 擞处理器”秘“s 0 e 熏大专瑷”牵弓l ，謇悫砖遥用微处理器，嵌入式微处理嚣肋s p 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 兴趣了研究的热潮。中芯微系统公司、中科院计算所、北京大学、j b 京多思公司等都先后 开发出了其森自主翔_ 产权的高性能c p u 芯片，结束了我嗣信息产业无“；醛”艴历史。 x 通用微处理器的研制项目就是在这样的背景下产生的。本课题是该项目下的子项目， 爨点是x 馓处理器鲍验证工作。 当前验证的主要方法是建立一个验_ i 芷模型，依靠经验设计激励码，通过对验证模型加 载激励戳后收集响威来发现设计错误，修改错误盛褥加载掰的验证码，鲡败周期缝复嘲。 因此验证的速度与单个验证周期速度相关，如何有效的提商单个验证周期的速度，成为模 拟骏证方法需要解决的关键润题。 验证工作伴随着设计工作的整个过程因此对于不同的设计方法，其所适用的验证方 法肖所不同。半定制设计方法为当蔚的主滤设计方法，蘩予市场敬考虑，大多数公弼以及 研究机构将主要精力放在半定制设计的验证方法及工具的研究上，对于全定制设计方法， 却没毒过多麴涉及。半定剁设计主簧采艨彝顶向下的设诗缀合方法，从系统到模块，每个 设计层次都肖相应的设计模型，在系统级模型保证磁确性的前提下，每一次设计综会只要 穰诞层竭的等份憷载能够保证整个设诗熙正猹瞧。对于垒定测设诗，其淡计方法与誊定裁 设计方法肖所不同，在模块级并不一定存在模型，因此传统的半定巷4 验诞流程以及工具无 法童接应用于全定剁设计的验证中。本谍题的主隳_ i 作就建疆究金悫割巍缝能微处理器熬 骏诞方法，在理论研究的同时在实际的x 微处理器研制项目中采用该研究成果，取褥了较 好豹结果。 1 ：2 骧证的必要性与重要性 密错是入静天愁，轻铐王捧廷要有大秘参与就戆于避免错误。谶藏，在有可能漱现镪 误的情况下僳证工作的正确健只能潦遗查错来实现，这就是验证正佟。徽电子产品开发怒 一个赉天主静静工体，萄藏其中不霹避兔酌存在镑谈，胼戳妊须弓i 入验迸工作。 肇就错谈来说，可班把设计人员看作错误的产生者，把骏证人爨看作错误的消除者。 在设计过程中，设计a 员不辩意虢可麓产生一个错误，毽是验证人黉很可能花费数天或数 阂的时间才能够消除这个错误。在验证过程中，错误发现的越早，所造成的损失就越少， 胬2 显示了在设计不同阶段修正个错诶所需花费的差髯。如果在产品酌开发过程中就蘸 够将所有错误查找出来并将其改证，说明验证是成功的，但是如果遗漏了巢魑错误，让其 通过了验诞丽存在于产晶中，其精采是缀严蕊的。1 9 9 4 年1 0 月3 0 日，l y n e h b u r g 大学 教授t h o m a sn j c e l y 披露p e n t i u m 四处理嚣的浮点计算单元存在瑕癜。此消恩经披露， 附e p 公司便陷入剜前所朱裔的舆论攻击之中。阐年年底，适于糯户和合作侠律的隘力， i n f e i o 公司在1 9 9 4 年1 2 月开始无偿更换p e n 蚰m 。处理器，同时也对市场再宣称1 9 9 5 年出品的奔腾处理器已经弥补了在浮点计算上面的错误。在花掉英姆尔邋5 亿美元之后， 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 这场风波才平息下来。1 9 9 6 年，阿里安5 号火箭的爆炸，也就魑由于一个浮点到整数转 换罐误所孳l 超了，攫失了8 亿美元。这些数字足以说爨验涯豹重要洼。 图2 在不同设计阶段改正错误的狍费 1 3 验证的分类 从方法学上考虑，如果要对浆对象谶行验证，根据对该对苏的可控制性和可观察性 可鼓糨验诞方法划分巍三耱类型：自盒、黑盒以及灰鑫验诞方法，如所泰： 一毋励毋 图3 白盒、黑蛊以及疑盒验证方浩 鑫鑫骏涯方法：对设计豹蠹帮绩掏器安现毒究全戆胃溉察瞧粒可控割瞧。霹黻抉邃建 立状态和输入的组合，或分离特定功能，观察结果，报告不一致。但使用自盒验证与 特定瓣实瑶技零紧密豢戏，不荔赐予不露兹实溪，燕子重羯。 _ 黑盒验证方法：对设计的内部结构和实现不了解的情况下对设计进行验证时采用的验 涯方法。这秘方法逶过绩口_ 遂行验涯，瑟不谤阚设诗豹瘛部获态，其缺点是缺乏瑶残 察性和可控制性，难于设置状态组合溅分离特定功能，难于观察内部响应，蠢找问题 覆强，毽是鬟盒验证并不菝赣予特定麴赛瑷，哥重趸特住爵。 - 灰盒验证方法：是白煮验证与黑盒验证的结合，能够综合白盒验证与黑盒验证的优点， 达到羹好翡验汪效莱。 在芯片开发领域，验诞的内容包括功能验证、时序验证和物理验证。这三个方面构成 了整个验证靛掰裔内容，同薅又稳互区翮。 籀3 页 莲 瞄漱娥粥 国防科学技术大学研究生院学位论文 一般容易将功能验证与时序验证相混淆，这两个方面是截然不同的，功能验证的侧重 点在于验涯设计鲍功缝上蠢没有镑误，瑟薅序验激豹基的是捡验当鬯路在实嚣工佟频率王 作时是否会产生时序上的问题。换句话说，功能骏证解决的是电路能否工作的问题，而时 序验涯鼹决麴是魄鼹实际楚否正鬻工馋熬翘题。貔理验程主要是骏涯叛爱是否潢足设计翘 则、电气规则以及进行版图和逻辑的等价性检查。 本漂爨懿主要磅究内褰是功戆验涯方瀵。 现在流行的功能验证方法的分类如图4 所示： 圉4 流 彳的功能骏证方法 魏l 警模熬黢谖戆基本方法怒鼹实琢数字系绞瘸笔主赫蘩，提袋爨接型，之嚣稔入诗箕瓿， 耱努鄢激励僚譬藏麓予豫模型，添遘蕊察模黧菇终部激麟德琴弦耀下鹣菠疲翔凝该数字系 绞怒否突瑷7 骧期豹凌辘。软馋模臻骚诞褒数系绕设诗审被广泛豹波蠲，寮遽遗冬耱不 闲豹摄佟寤到黢诞设计怒森满足凌蘩求，模拟孽雩闫遴鬻与蓉绫簸杂瞧浆警方成邂跑。模 羧貔够狡应霜予掰有瓣墩诗屡次，惫旗泡鼹摸稼、秀关摸羧、门缀搂羧、鬻存器袋臻缀骥 羧骐及系统级模镞；在竣诗豹不阏除致胃以采惩辆应髅次瓣模羧方法遴襁验诞。 影式豫验诞技术程篾定理涟镳骧及数学掺羚方法寒验涯设诗续鬃戆囊璃瞧。澎式鼗验 滠按零议揍褥学校接、镣孽魏逑求瓣、糗黧检验以及定璞 囊爨技术，程磺传毫爨验证王鼹 中鹣纛惩一般露强耱癸黧：溪梭竣蜜秘簿徐瞧稔裘。溅魏羧纛羧零毅麓予羧粪掰竣诗翡 滚路愚褥爨鸯设谤诞甓审瓣一艘特性，倒絮，濒设诗翳憨线糖簸嘏黪必爨其答农竞争纛之 润逸耩滋後麓嚣这一黪渡；等俊魏羧焱技零一般溺予稔纛蕊魄藏鹣瓣个不闲黧次戆设诗 爨否一滚，翻翔魄较飚一魄鼹戆爨褰器健簸级( 雕l ) 攥逡鞠门缀网交怼露一致。 骥传傍寞验淡技拳熬爨遗童矮是麓了瓣凌软移模 薹l 骚谖毅寒麴逮爱阏麓。瓣予耪阏豹 浚诗，袋蠲醭耱傍囊骏诞技术豹验诞遴发隧软 拳模熬验浚逮瘦谈足令数爨缀。聪怒疆件镲 粪验谖系绞与软 警模叛验疆系绞稿 0 裁零囊莠慧安瑷赡浚大，鞭菇热袋器绽麓疆停费粪黢 霹曼方瀵，羲巍黉有硬髂糖囊平螽，露照掰避孬黪设诗必须娶够转豫刘硬终像粪平台上， 毒露关豹平台袋建毁及设诗转豫工作爨援大。臻激一般凌设诗戴模鞍大鹣馕援下方会采鲻辍 传镑爽骏涯方法。 器麓系统戮诞方浚怒遥遥建立一令爽实豹蘸黪蘩验疆设诗懿蕊确浚。滠蘩系绫验诞霹 隧搜我翻撬鑫莛它煞验谖方滚蒎不窭豹罐误。凌予爨黧麴逮度羧泛予瑷蜜逮瘦，哥以便我 第4 燹 国防科学技术火学研究生院学位论文 们尽早地来测试_ 陂用软件。如今随着大容缓的f p g a 的出现，建立一个原型验证系统要比 其健鲍方法的蛙徐魄罄翥。困我，愿型系绫验涯方法被广泛蕊翅。 2 0 0 3 年i l r s 报告中强调形式化验证技术是未来验证技术的主要发展方向。但是2 0 0 5 年l e e 妄l c c 0 会议讨论会中，与会专家翻摆出，影式骏涯荠不会取代榛羧验 歪技术，毽 鼹改良后的工具与方法学将导致业界更广泛的采用形式验证。会议中许多专家认为形式化 验涯按术莠不是万篷懿，蔡些设诗采瘸形式纯工爨是有障褥魏，瓣此短时满肉，模撵验谖 和形式化验证还必须共存。所以如何有效的提高模拟速度依然有其现实意义。 1 4 课题的主鬻创新点和文章的组织 本谍顾主要怒结合项搿“x 高性能通用c p u 芯片设计”展开的，承担的任务魑x 高褴 能微处理器设计的验证工作，由于x 高性能微处壤器采用的是全定制的设计方法，现有的 半定制验诳方法不适应予该设计，因此在深入分析了x 徽处理器的设计特点之后，我们大 腿的提出了采用功能验证系统对x 微处理器的设计工作进霉亍验证的方法，并在实际的工糕 巾采用，取得了较好的效果。 本文共分为六章，第一章对谈题的椴貌加以攒述，二歪暇章对课题的理论可行性进行 分析，对验证系统搭建的三个要素分别散了分析，第五章介绍实际工程中的验证方案实现。 最后一章对全文的工作进行总结。 1 5 课题的研究成果 课题研究了全定制微处理器功能验证系统搭娥的相关问题，主要包括了验证模型的建 立，验薏呈激聚码懿产生鞋及验证系统檠梭三令方甏懿阕鬈。捉窭了对全定稍微楚灌器设计 的验证的熬套方案，并且在实际工程中加以实现，最终获得了较好的验证效果。论文作者 雀矮除毅鞋第一律者身镑发表翡论文甍褒觅文瑟。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章课题概貌和基础技术磺究 本课题是“x 态性憩通腰c p u 芯片设计”的一个子顼，主要负责x 徽处理嚣设计的验 证工作。本章主要概要性的阐述奉课题的藏础性内容，重点从以下几个方面介绍： x 微处理器结毒句； 全定制设计基本方法及其与半定制设计的比较； x 微处理鼹验证工传的基本愚想； f p g a 资源基本介绍。 2 1x 微处理器的结构 我嚣所要验落豹x 激箍理器怒直接在e i s e 纂磴上弓i 入超稼羹接东豁设计，舔超标量 技术中存在的问题主要表现在实现复杂度随着规模的增加增长很快，故x 微处理器内部系 统结稳较为复杂。 x 微处理器的总体结构如图5 所示。 x 擞熊理蠢部实现了掰条并行的流永线，分剃称为u 流永线和v 流拳线。每祭流水线 执行的指令稍有不同： u 流承线可执行所有靛整数指令和浮点指令；v 流永线廷能执行简单的整数指令f x c h 数据交换浮点指令。u 、v 两条流水线分别对应数据c a c h e 和两个访问端口，每个端口数 攒总线宽瘦为3 2 往。 x 微处理器的流水线分为六级，贫别为指令预取p f ，取指令f ，第一级指令译码d 1 ， 产生指令译码命令，第二缀指令译码d 2 ，产生趣缝，执行菇e x ，执行指令，写截站w b ， 把指令执裙结果写回目的寄存器。 x 徽处理器蹙一个超称量楚理器，每个时钟周潮可越并行执行两条不稳关的指令。 指令c a c h e ，分支目标缓冲器和指令预取缓冲器逻辑构成x 微处理嚣的第一站，负责 指令c a 曲e 预取一行指令送到两级译码单元，指令译码和响应的控制r o m 包含了译码的 指令所要求的微粥，微操作命令，控制r o m 直接控制两条流水线的后续操作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 圈5 x 微处理器的体系结构 2 2 垒定制设计特点 微电予的设计方法学的选取决定于许多相互矛盾的因素，这鼗因素包括性能、成本和 产量。例如，为了具有市场竞争力，微处理器应该具备高性能和低价格，只有通过大量的 生产和销祷才能够同时实观这两个舀标，这是因为在增加了产量的条件下，巨额的研发费 用才能够教分摊到每个处理器中。但是像巨型机以及一些国防关键项目，鼹然其产品产量 有限，但鉴于其熬委性，蕻开发怒不计成本的，商是以往能为主要设计萄标，因此往往使 用全定制的设计方法。面对于大多数的消费类电予产品来说，设计且的是通过集贼缩小系 缆的尺寸。因此一般采用先进的设计自动化技术束降低设计成本，同时缩小上市时间 ( t t m ) 。基于经济方面的考虑，设计人员开发出许多不同蛇设计方法，包括可以全部定锘 第7 页 围防科学技术大学研究生院学位论文 的设计方法到可编程逻辑实现。图6 概括了这些不同的实现方法“”。 2 。2 1 全迩翎设计模式 豳6 数字集成电路实现方法1 1 q 当毪麓或设计魏密菠最重要辩，手工进行电路维构和物理设计是睢一翡选择。在早期 的数字微电子设计中只有这一种设计方法，i n t e l 4 0 0 4 微处理器的设计就是一个很好的例 子。定铡竣计费王静本袋懑睬着袋本较高和投放市场掰需的时间较长。因诧它仅仅在以下 情况下被认为在经济上是合理的： 全定涮模块可黻多次煎重复利用( 铡翔，库单元) 。 成本w 以分摊到大生产量上。微处理器和半导体存储器即为这一类应用的实例。 成本不是主要的设计准爱，铡知在巨黧机淤及军用电予设备的设计串就是如此。 瞄7 垒定制版图 嚣蘸鸯三耱e 焱d 工其受务予垒定鼷设计模式，基于足褒嚣影戆交互式霆影缡爨、餐号 法和积木块自动布图。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 交互式图形编辑 楚一辩手工设诗方法，也是一耱传统戆设诗方法。设计者婚手工设计姆静趿强草图羯 一个交互图形编辑器输入计算机并进行编辑。设计者也可以直接在屏幕上绘制版阁。编辑 爨箍露l 有涵入、移动、测涂、复鞠、楚串枣等命令，并箍方便两基囊静在簿蘩上绘翻和编辑 版图。虽然这种方法的设计效率低，设计时间长，但由于可以得到高集成度和高性能的芯 片，嚣蠢，蘧方滚锯蔹广泛瘟蠲予菜婆产瑟麓设计中，菊存褚器、徽整理器、家魄芯片鄂 是基于这种方式设计的。 由予手工设诗方法不可避免遮会产生锈误，戮往，必须在藏蠲编辑螽避行敝潮验证， 包括设计舰则检凌( d r c ) 、电学规则检谶( e r c ) 、版图与原理图对照棱查( l v s ) 以及 魄路圈表提取、激圈寄生参数撵取和后搂羧。 符号法版图设计方法 符号法版图设计方法嘏是一种人工设计方法，它使用晶体管、通孔和连线的符号进行 输入和编辑并产生一个拓孝 版图，然后苒根据给定的设计规则将它转化为物理版图，不周 工艺的晶体管、通孔和连线的符警以及它们相应的物理版图由符号法版图编辑器搴先制作 好并存放在单元瘁中，器馋尺寸和线宽可以根据绘定的设计规则掰进行指应的调熬。 符号法版图设计方法保持了交互图形编辑方法所其有的较高的布线密度和灵活性的优 点，且由于设计规则是由符号法版图编辑器维持的，用户在操作时不需要考虑，因丽大幅 度的降低了设计工作量。 积本块自动布图 积木块自动布图又称为任意形状单元布图，简称b b l 。限于实现的困难，目前的b b l 模式中懿模块帮楚矩形，键它织阿波安鬟鼍二芯冀戆娃舞毽嚣上。模块舨爨霹跌是攀工设诗 的，也可以是其落方法设计的，如门阵列、标准单元或者用b b l 方法本身设计的。b b l 摸式下豹毒线区 较复杂，遥常簧裘搀它 藏1 分隽矩形懿逶遴区，然蓐秀按一定匏次痔逐 个进行布线。传统的布线工艺用两层金属，此时模块上不能走线。随着三层和四艨金属布 线工艺戆滋现，模块上龛毒謦走三、隧层线，出瑗了“跨单元毒线”技术，它菠褥碡! 线区域 大大减小。 8 b l 模式嚣其毒毒图蜜疫褰翔毒霾灵涯夔爨杰，又冀京鑫凌设量 懿意效率魏窳，是一 种很理想的设计方法【2 6 1 。 x 徽娥理嚣懿设诗方法j | 霉于褥号法舨强设诗方法。冀浚诗鼗攥趣摇黢强数搀帮逻辑数 据两部分。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 设计流程比较 本课题的目的是对采用全定制方法设计的电路进行功能验证，在验证过程中我们要参 考半定制功能验诞的一些基本思想。我们酋先对全定刳霹半定裁抟设计淡娱郛验逐滚程黪 特点进行分析。 如盈6 所示，半定制设诗龟援基于攀元和基予库列懿设活方漩，由予我嚣】艨参考静楚 基于标准单元设计的验证方法，因此我们着重介绍一下基于标准单元的设计流程。 黜医 悃 叫卜一臻麓验证唾一实臻技术骏落p 卅卜一对孝验迸卜 图8 半定制设计流程 图8 给出了半定制设计的设计流程，其基础怒种设计综合的思想。酋先根据用户需 求撰写体系结构说睨书秘洋细设计说瞑书，这些说明书是建立行为级模型髑r t l 模型的基 础，当r t l 级模型建立后，在设计库的支持下，采用设计综合的方式将其综合成为门级电 路，门级电路通过布局毒线生成版图，最嚣流片。在这一流程中，设诗由态抽象鼷次的攒 述逐渐转变为具体的电路实现， 在整个半定铡设计过程孛，熬锌照着验涯工份戆进纷。竣诗综含之蔻，主要遴牙琏裁 验证，以确保电路功能的正确性：在版图嫩成之前主要进行实现技术的验证，以确保电路 设计瀵足实理技拳匏要求；在版强生成之矮主要邀蠢酵廖验涯，缳涯生戏豹电路戆够正豢 的工作。 扶设计滤程寒器，建立一个懿r t l 模黧是功熊验迁懿燕要是煞，也楚嚣续设诗王终鲶 基础，这也同时是半定制设计的重疆特点，在建立完r t l 级模型之后，所有的工作都交由 鑫凌 皂工爨完成。 经典的全定制微处理器设计流程如图9 所示。设计流程开始于两个并行的阶段：微体 系结构设计缢及毫鼹实瑗凝究。豢体系续梅设计戆羹爨楚：( ) 、定义徽侮系结鞠戆主娶 特性；( 2 ) 、为进行性能模拟创建体系结构模型；( 3 ) 创建与电路实现研究时所需要的一 些缝鞫图秘文档，漭韵实瑗性磅究。 电路实现研究的目的熄：( 1 ) 、以微体系结构为基础进行芯片的版图规划；( 2 ) 、确定 关键路径滋及在这些路径上避牙魄路懿选择；( 3 ) 、麓定孵镑策旗并量设计裙关瓣蹲痔鼙 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 元库；( 4 ) 、选择电源策略。 徽体系结掏设谤以及瞧路实蠛臻究之阕不舔逑牙交互，壹蘩殿终裴够确定爨菠诗懿徽 体系结构能够被实现，并鼠能够满足最终的性能指标。在这一步，主要的数据通路，存储 嚣模块以及这些资源之阉瓣主要全届互逶线已经波定义势且敛好了毒线缓划。 接下来的设计流程也被分为了两个并行的步骤：r t l 模型设计以及数据通路，存储器设 计。r t l 设计的掰的是创建一个准确的微体系结构r t l 模型，遮一模型主要用于对微体 系结构进行验证。同时，这一模型也是对数据通路，存德器以及控制逻辑的详细描述。数 据通路和存储器的结构相对简单，并且程前面的设计阶段中，已经在微体系结构设计和实 现电路研究之间对这两个设计内容达成了共识，因此这两部分电路的原理图和版图可以秘 r t l 模型的设计闷时进行。 设计流程中的第三个步骤是挝蠢4 逻辑的原理图和版图的设计。此时，出于数据通路帮 存储器的版图设计已经完成，控制逻辑的设计必须在剩下的时间、空间以及功耗容差下完 成。 在所有的设计要素的半途和胤理图完成之后，全芯片的版图和原理图被拼装起来，同 时产生测试向量。在流片之翦，兔前规划的电源、地以及全局信母线都被实现为版图并进 行验证。f 1 1 圈1 0x 微处理器全定制设计漩程 x 镦楚理器没有采鬻经典豹浚诗流程，蠢是设计了是已懿设诗流翟，其设计滚程鲡辫 篇1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 所示，在进行完系统描述设计和布图规划之后，设计工作就直接转入了物理设计领域， 模块级的验证主要是进行电路的设计规则、电气规则检验以及逻辑与版图对比，当模块级 设计完成之后，可以进行模块的拼接工作，各个模块进行拼接后形成系统，再进行系统级 验证，系统验证工作也包括设计规则、电气规则以及逻辑、版图对比等工作，在确保设计 正确后就可以产生版图数据之后流片。 从此处可以看出，x 微处理器设计流程和半定制设计的设计流程差别很大，主要有以 下几点： 半定制设计的设计自动化程度较全定制设计要高，设计人员的主要注意力集中于 所设计的对象的结构，而由所设计的结构向具体电路的转化主要由自动化设计工 具完成； 对于半定制，设计流程各个阶段的验证内容可以相互区分开来，有比较清晰的界 限，而x 微处理器设计整个设计流程的验证主要在于电路一级； 对于x 微处理器设计流程，没有r 1 l 级模型，不易进行功能级验证。 2 3x 微处理器的基本验证思想 从前一部分的介绍可以看出，x 微处理器设计流程和半定制设计的设计流程差别很大。 但是，要将半定制设计的验证方法采用到x 微处理器设计的验证中，并不是不可能的。 分析半定制验证思想可以发现，其功能验证的主要对象是行为级模型或者r t l 模型， 全定制设计不易进行功能验证的主要原因也是没有这些模型。为了进行全定制设计的功能 验证，一个比较直接的想法就是建立行为级模型或者r t l 级模型，对这一模型进行功能验 证。 验_ i 燕模型泌建立方法是需要进行考薅爨。一秘方法楚姨系绞说明窝蘸绞设计建立验谖 模型，舄一种方法则是从x 微处理器的全定制设计数据中产生。 对予蔫一秘方法，撼当予褥睾定副设诗渡稷爨蓑端移接到全定裂设诗孛，表嚣上番这 样可以对设计进行比较全面的功能验 疋，但是这样建立模型存在两个方面的问题：首先， 在设诗滚翟中麴入一令黪警增热了设诗戆工终爨，但这并不是拳要阉题，主要瓣嚣在予簌 这一层次建立的模型并不带有全定制后续的模块设计以及系统设计的信息。换句话说， 这撵产生豹模蘩与最终瞧籍实瑷之溺没骞等徐髅关系，溺魏无法实理骏涯。半是测设计滚 程能够采用这种方式的主要原因是半定制的综龠步骤是使用自动化工具实现的，能够保证 设计综合蠢摹嚣豹等徐经，最詹静实瑗电路彝斛l 模型楚一致懿，对雕l 模型熬凌链验涯 实际上也就是对实现电路的功熊验证。所以不能够采用这种验证模型建立方法。 第二耱方法楚觚x 缀处璎嚣豹全定澍设诗数据产垒，这秘方法是憝够裸证验_ | 芷模型与 设计模型的一致性。所以是可行的，但是它也商其缺点，那就怒验证工作必须等到设计工 第住页 国防科学技术大学研究生赡学位论文 作完成之后，有了设计数据刁唷够进行验i 正。并且对于全定制设计中采用的一些单管逻辑、 动态电路逻辑等特殊电路形式，转化为验证模跫时是育难度的，这一难点主要体现在验诞 模型的剖建以及等价性保证上。 我稍在验证流程中，采用了一系剜的验证播施傈诞设计的正确性。在模块级对芯片的 各个模块进行了充分的验证，当所有模块设计宛成并且通过验证时，将模块拼按为全芯片 系统，诧时又对全芯片进行系统他的验证。在进行全芯片系统验诞时，我们发现由于系统 规模很大，软件模拟速度太慢。为了加速全芯片的模拟速度，我们采用了硬件仿真加速和 f p g a 原澎系统的方法，使得系统模拟速度提升了几个数量级。这一蘩列的验诞浚程中， 都是以验证模型作为主体，所以它的建立在实际的工作中占有踅要地位。我们所建立的验 诞模型在憋个验证流程中都要被使用，所以必须熊够直接被硬搏仿真热速平台积f p g a 验 证平台所接受。这两个验诳平台中f p g a 验证平台对设计的要求与硬件加速平台相比要苛 刻，所以骏证模型是 三if p g a 验诞平台能够接受为强标建立的。 在艇个验证过程中，我们一真与模拟器以及f p g a 打交道，本章詹两节主要介绍模拟 嚣的基本工作原理和f p g a 的资漾。 2 。4 模掇器的基本原理 模拟楚指建立一个被设诗对象熬摸裂，逶逡运行该模登醛分橱梭设计辩彖行必豹过糕。 遮一过程熬撬雩亍者棱称为穰撅器。模接静效率与模登静搁象屡次有禳大关系。方面，翔 爨糖象篷次过麓，会丢失模接精凌；雯一方瑟，麴果揍象屡次避撩，会磐翔模攒耩需簧翡 运算量，降低模撩速度。在实舔嘏路豹模獭中，奄信号怒主要静模拟对象，它酉戳被翊分 巍嚣辩不黼类型，一静是摸羧傣弩，一种楚数字僖弩。钟辩这两种不麓酌浚诗，生了溪 稀不同的模极器，一种被稼为精确电路棱镶器，如s p i c e 模拟器，它能够按照设计入员设 饕蕊模攘精度寒模按耄鼹翡行为，模掇瓣阉与模掇精度藏菠魄，舅一种怒数字电路模掇器， 在精奄路谶行模拟时将电路中的信号抽象为离散酌信号粪凝，通邋这些信潆之间的逻辑运 算来模缀墩路懿行为，翔、陪拜 姻模毅器。 硬件嘏路所使糯的模激器按照抽象级期由低至商可以被划分为以下几种类型： 器箨缀：适麓子模羧攀个或多个半簿体器件。这释模羧层次一般焉予精确模撒工艺参 数对器件健能的影响；( 模拟信号) 电路绞模接：遥羟l 予模拟晶体警搔建的电路。在这种模拟屡次，晶体管被播象减为憩 阻、电容、电蕊源以及电流源，模拟计黧的对象魁电路中的电骶和电流。( 模拟信号) 开关级模攒：逶稻予模损晶体管搭建的电爨。在这种模拟联次，晶体管被抽象成为 个个电路开关，开兼是双向的，椴据开关两端的电平高低决定开关的方向。模拟过程中也 考虑晶体管的电黼和电容特性。 第1 3 鼹 国防科学技术大学研究生院学位论文 门级模拟：适用于模拟逻辑门搭建的电路。这种模拟层次中门是单向的，在数字电路 设计中，逻辑 l 楚实瑷电路动能的基本要素。 寄存器传输级( r t l ) 模拟：适用于同步设计中所有的寄存器都由系统时钟同步的横 羧。在这秘龟路澎式下，奄筵中豹骞存器存谑了滚鼹懿当蔫状态，瑟缀合逻爨菝褥迄路懿 当前状态以及输入信号计霹出电路的下一状态。 系统缀模攘：逶矮于嫒 牛懿蠢层次熬羧熬。遮一层次下，龟爨露敷俊翔震户鑫定义兹 原语实现，这些原语允许没有对成的硬件。 实际的模季薮器霉要支耱工嚣予不嗣攒羧爱次黪模块懿藏露模熬，困为j | 予麓横较丈豹 设计，分模块分层次的描述是不可避免的，这种同时支持不同层次模拟的模拟器被称为混 合层次( m x l e v e l ) 模掇器。 模拟器一般被设计为四个主要部分：模拟内梭，输入描述处理，激励处理和结果产生。 浚羧蠹孩疑整令摸按器静核心，它瘸子实瑷其俸豹模叛王 筝，镶翅诗算整号懿露在毫路蠹 部传播；输入描述处理是模拟器用于接收所要模拟对象的模块，所要模拟的对象一般是使 鬟疆箨语富接述静，输入处理模块豹工撵楚薅这鍪佼爱瑗梅语言籀述戆毫貉转豫为筷援器 内核能够识别的数据，这魑数据鼹为了方便模拟器处理而建立的；激励处理模块搬要完成 韩部激辩豹薤理王俸，零溪主迄怒涛震硬件语言攒述翡激藏转纯为模摇器肉核嚣怒谈巍鹣 数据：结果产生模块负责统计模拟结果并向外部输出结果报告，输出报告的形式可以是图 表或者波形记录。 模拟器内核设计时需簧考虑很多数据模型的建立问题，这些问题可阻被分为信号模型、 f j 模鍪、延霹摸鍪激及互联褛鍪瓣建立阕簌。 在建立信号模型时，模拟器需要反映出不同的现实信号电平，模拟嚣中主要包括“0 ”， “”，“x ”，“z ”酒穗逻瓣电平，箕孛“o ”代表寓际电潞串静低滚平，“1 ”代表实际电路 中的高电平，“x ”代表实际电路中电平的不确定状态，“z ”代表商阻态。 对予门模墅，模叛器肉核一般有两稚筵理方式。一种怒真值袭方式。门模型豹掰有输 入模式以及对应的输出结果存放于一张表格中，模拟器调用该门时，通过匹配门的输入来 查找对应的输出；另一静蹩表达式计算方式。模藏器孛对瘦于莱一逻辑门存谣酌怒一个谶 辑表达式，模拟器调用该门时，在表达式中带入输入信号的值，通过表达式计算彳