（电工理论与新技术专业论文）基于8086全硅计算机设计技术的研究.pdf

t h er e s e a c hb a s e do n8 0 8 6s i n g l e - c h i pp cd e s i g nt e c h n o l o g y a b s t r a c t 1 1 1 ee v e r y d a yd e v e l o p m e n to fi ci n d u s t r ya n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v i n go fi c d e s i g nm e t h o d o l o g ya r ei n t e r d e t e r m i n e d w i mt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e n t e r si n t o v e r y d e e p s u b m i c r o ne r a i ti sp o s s i b l eo fi n t e r g r a t i n gm o r et h a nm i l l i o nt r a n s i s t o r si n t oa s i n g l ec h i p n o w a d a y sc h i pv e n d o r sa i ma t a r e am i n i m i z a t i o na n df u n c t i o n m a x i m i z a t i o n 1 1 1 er e s e a r c ho nt h ev e r yd e e ps u b m i c r o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f i pc o r ed e s i g na r ec o n c e r n e db yb o t hr e s e a r c hs o c i e t ya n di n d u s t r yw o r l d t h e s y s t e mo nac h i pb e c o m e st h em a i nt r e n d i nd e s p i t eo fs o cb e i n gp r o v i d e dw i t h m a n ym e r i t s ，m u c hn e wc h a l l e n g eo f i cd e s i g na n dv e r i f i c a t i o ni sb r o u g h tb yi t t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni s t l l er e s e a c hb a s e do l l8 0 8 6 s i n g l e c h i pp cd e s i g nt e c h n o l o g y ：砀em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r e a s f o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ei cd e s i g nm e t h o d o l o g y ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ek e y t e c h n i q u eo fs o cd e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ，t h ec h a l l e n g eo fs o cd e s i g na n d v e r i f i c a t i o n ，t h ei n t e g r a t i o na n dr e u s eo fi ps o f tc o r e 2 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a n d a r di n t e l8 0 8 6m i c r o p r o c e s s o r ，t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g no fo n ek i i l do f16 - b i tm p ui ps o rc o r e ，w h i c hi s r e u s a b l ea n di n s t r u c t i o ns e tc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r di n t e l8 0 8 6 f r o mt h ep a r t i t i o n o fp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r et ot h ed e s i g no fi n s t r u c t i o ns e ta n dv a r i o u si n t e r i o ru n i t s ，t h e d e s i g ni se l a b o r a t e di nd e t a i la n d s o f t w a r es i m u l a t i o ni s 伽f i l l e d 3 t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d st h em i n i m u ms e to f8 0 8 6s i n 哲e c h i pp ca n dt h e f p g ah a r d w a r ee m u l a t i o ni sf u l f i l l e d k e yw o r d s ：s y s t e mo nac h i p ，s i n g l e c h i pp c ，m i c r o p r o c e s s o r ,c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 插图清单 i c 产业的三次分工2 集成电路设计自动化的三个阶段4 基于8 0 8 6 的全硅计算机结构9 i c 设计方法学的演变。1 2 工艺发展与i c 设计效率增长之间的剪刀差1 4 基于口重用的s o c 设计方法学15 口核标准化体系1 6 自顶向下设计验证方法1 7 s o c 集成验证平台18 i p 设计验证流程1 9 s o c 设计验证流程2 0 8 0 8 6c p u 外部引脚2 1 8 0 8 6c p u 内部结构2 2 指令的两级流水技术2 3 寄存器组织2 3 存储器寻址2 4 8 0 8 6 指令机器码格式2 7 物理地址形成过程与计算方法2 9 a l u 模块划分3 2 标志寄存器的具体格式3 2 指令译码和硬布线控制的结构3 4 有效地址计算的状态转换图3 7 r e a d y 输入信号的同步3 7 h l d a 输出信号的锁存3 8 r t l 级仿真平台3 8 仿真工作目录3 9 时钟信号的v e r i l o g 描述4 0 读入测试向量的仿真脚本4 1 m o d e l s i m 仿真脚本4 2 仿真结果分析策略4 3 无条件转移指令j m p 仿真波形4 3 8 0 8 6 终端显示脚本4 5 i v 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 8 0 8 6 终端显示结果4 5 m o n i t o r 监视事务过程4 5 8 0 8 6 自动检测脚本4 7 8 0 8 6 自动检测结果- 4 7 8 0 8 6 脚本显示程序4 8 8 0 8 6 全硅计算机结构4 9 8 0 8 6 全硅计算机最小集5 0 全硅计算机最小集的r t l 级仿真波形5 2 软硬件协同验证平台结构5 3 d e 2 验证平台5 4 d e 2 验证平台模块图5 4 调用片内r o m 、r a m 验证流程5 5 门级仿真示意图。5 8 全硅计算机的门级仿真波形5 9 d e 2 控制面板结构6 0 d e 2 控制面板写入f l a s h 6 1 d e 2 控制面板写入s r a m 6 2 v 表格清单 表1 1集成电路技术的发展情况和展望1 表1 2 集成电路发展规律表。2 表2 1 设计方法学的比较1 2 表3 1 标志位的符号表示2 7 表3 2r e g 确定寄存器操作数2 7 表3 3m o d 和r m 确定寻址方式3 2 表3 4 测试操作数的范围4 1 表4 1 c y c l o n e i ie p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 器件可利用资源表5 5 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加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，也不包含为获得金月巴王些太堂或其他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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力知9 年月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 月巴互些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储戳：锄彳 签字日期：胪月f 扩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 名协手 签字日期么矿2 拜j 月i 函 电话： 邮编： 致谢 论文是在导师高明伦教授和胡永华副教授的悉心指导下完成的。高老师和 胡老师不仅学识渊博、治学严谨，而且平易近人、诲人不倦。两位老师对科学 的认真态度和高尚的人格品质是我永远学习的楷模。在两年半的硕士学习期间， 高老师、胡老师和潘剑宏老师在我的学习和生活的各方面给予了悉心的指导和 亲切的关怀，在此致以崇高的敬意! 并表示衷心的感谢! 感谢张多利老师在论文修改和定稿的过程中给予的全面指导，张老师严谨 的治学态度、缜密的分析能力和活跃的思维都给予了我深深的启迪，开拓了我 的思路。 感谢刘聪老师、王锐老师、尹勇生老师、杜高明老师、宋宇鲲老师、周萌 老师、邓红辉老师、林微老师、贾靖华老师的关心与帮助。 感谢郭书生、胡德俊、陈巨、刘涛、沈健、于冰、聂晶等师兄师姐的帮助 与支持。 感谢“8 0 8 6 全硅计算机项目组成员张建生、缪庭、宋何娟在项目中的合 作与帮助。 感谢沈斌、侯宁、何亚军、汤益华、霍晓嵩、陈志明、万超、张文婷、瞿 美霞等同学在学习和生活中给我的支持与鼓励。 感谢微电子设计研究所全体同仁陪我度过两年半的美好时光。 感谢我的父母多年来对我的养育、关心、理解和支持。 感谢文中引用文献的所有作者们，感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、 同学和朋友们。 作者：李洋 2 0 0 8 年1 月8 日 第一章绪论 这一章介绍了课题研究背景、课题研究内容、课题研究意义和论文结构。 说明了课题基于8 0 8 6 的设计与验证平台，研究构建全硅计算机。 1 1 课题研究背景 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升传统产业的核 心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来，集成电路产业的地 位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的基 础性、战略性产业。 基于集成电路的重要地位，发达国家和许多发展中国家都十分重视集成电 路产业的发展，纷纷制定集成电路的中长期发展规划，抢占制高点，以掌握未 来信息技术核心的主动权。正因为如此，集成电路产业已经成为当今世界发展 最为迅速和竞争最为激烈的产业。 1 1 1 集成电路技术的发展 集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc k c u i t ) 技术自集成电路发明之日起，便以惊人 的速度发展。第一块集成电路上只有四个晶体管，而目前的集成电路已经可以 在单个硅片上集成几千万只晶体管，甚至上亿只晶体管。i c 的发展经历了小规 模i c 、中规模i c 、大规模i c 、超大规模i c 和特大规模i c 的不同阶段，其性能 不断提高。在集成电路工业界，特征尺寸( f e a t u r es i z e ) 、硅圆晶片的直径和动 态随机存储器( d r a m ，d y n a m i cr a m ) 的存储量被用来评价集成电路技术的 发展水平器【l 】。从1 9 9 5 年到2 0 1 0 年集成电路技术的发展情况和展望，如表1 - 1 所示。 表1 1 集成电路技术的发展情况和展望 年代 1 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 72 0 1 0 特征尺寸( 岬) o 3 5 0 2 5o 18o 1 3o 1 0o 0 7 d r a m 容量( 位芯片)6 4 m2 5 6 m1 g 4 g1 6 g6 4 g 微处理器尺寸( m m 2 ) 2 5 03 0 03 6 04 3 05 2 06 2 0 d r a m 尺寸( m m 2 ) 1 9 02 8 04 2 06 4 09 6 01 4 0 0 晶体管密度( 晶体管数c m 2 )4 m7 m1 3 m2 5 m5 0 m 9 0 m 高速缓冲器( a t 立_ c m 2 )2 m6 m2 0 m 5 0 m1 0 0 m3 0 0 m 最大硅圆晶片尺寸( m m ) 2 0 02 0 03 0 03 0 04 0 04 0 0 集成度的增长正如i n t e l 公司创始人之一g o r d o ne m o o r e1 9 6 5 年所预言的 那样：集成电路的集成度每1 8 个月将增加一倍，性能增加一倍，这就是著名的 摩尔定律( m o o r el a w ) 。集成电路的发展规律，如表1 2 所示。 表1 2 集成电路发展规律表 黪麟嬲嬲铹铹秽獬洲7 矿黝锈缈钎 够鳓 9 8 搿，节矿矿鬻御铲荔# 搿 发壤麓黝移成熟朗4 兹鬣哪啊缈缀 鍪 7 孕育期开发甥 戮象薹赢锄；毅施绷。渤黝囊免；。鼢0 建。蛐瓤黝冀9 。觑施施渤。：爱勉五勰巍瓿。熬，壤簿魏、， 集成度规小规模 t 规模人规模超人规模特犬规模匿人规模 模( s s i )( m s i )( l s i )( v l s i )( u l s i )( g s i ) 晶体管数1 1 0l o 1 千l 手1 0 万 1 0 万1 千万l 千万1 亿 l 亿以上 ( 个) 晶圈窥小于l薹23 45 68 1 21 2 以上 径：英寸( 7 3p r o ) ( 2 - 1 p m )( 0 5 0 2 5 p m )( o 1 8 - 0 0 3 p m ( c m o s ) 技术) 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今4 0 多年以 来，“从电路集成到系统集成”这句话是对i c 产品从小规模集成电路到今天巨 大规模集成电路发展过程的最好总结，整个集成电路产品的发展经历了从传统 的板上系统( s o b ，s y s t e m o n - b o a r d ) 到片上系统( s o c ，s y s t e m o n a - c h i p ) 的 过程。在这历史过程中，世界i c 产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业 结构经历了三次变革【2 j 。i c 产业的三次分工，如图1 1 所示。 _ = = = 丁一 r l ：- t 碰亟 衙 东炳备材料、) 、_ _ 一_ 一 譬峭计i t h 筠崩 葬懑d 铽藿 用 哩 k ：凸上i 一厂田 犍 设备- 加工 必t m f o u d r y l = r o c e s sp r o c i 匡麴匿囟匡囱 ll l 网络信息li 方法改进i集成度增j 7 0 8 0 年代 8 0 。9 0 年千它 i p c h i p 图i - ii c 产业的三次分工 i c 技术的迅速发展应归功于i c 产业的分工。最初的i c 产业应该说是半导 体产业，所涉及的技术十分全面，包括集成电路的设计、制造，以及工艺设备 和c a d 设备的制作。 第一次变革：以加工制造为主导的i c 产业发展的初级阶段。 7 0 年代，集成电路的主流产品是微处理器( m p u ，m i c r o p r o c e s s i n gu n i t ) 、 存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期i c 制造商( i d m ，i n t e g r a t e dd e v i c e 2 m a n u f a 【c t u r e r ，也称为垂直型企业，指具备设计、制造、封装、测试和销售等一 整套开发能力的企业) 在i c 市场中充当主要角色，i c 设计只作为附属部门而存 在。这时的i c 设计和半导体工艺密切相关。i c 设计主要以人工为主，计算机辅 助设计( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 系统仅作为数据处理和图形编程之用。 i c 产业仅处在以生产为导向的初级阶段。 第二次变革：只有生成制造能力的晶圆代工公司( f o u n d r y ) 与无生产线的 i c 设计公司( f a b l e s s ) 的崛起。 8 0 年代，集成电路的主流产品为微处理器、微控制器( m c u ， m i c r o c o n t r o l l i n gu n i t ) 及专用i c ( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 。这时，无 生产线的i c 设计公司与标准工艺加工线相结合的方式开始成为集成电路产业发 展的新模式。随着m p u 和p c 机的广泛应用与普及，i c 产业已开始进入以客户 为导向的阶段。 第三次变革：“四业分离 的i c 产业 9 0 年代，随着i n t e r n e t 的兴起，i c 产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国 际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争，而以 动态随机存储器为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1 9 9 0 年，美 国以i n t e l 为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃d r a m 市场，专注于通用c p u 领域，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了 世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不 有利于整个i c 产业发展，即使象i n t e l 这样具有强大实力的公司也不可能同时 在两个领域有所作为，“分 才能精，“整合才成优势。于是，i c 产业结构 向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试 业独立成行的局面，同时在每一行业内部进一步分工，以设计业为例，在经历 与加工业分离( 设计f a b l e s s 与加工f o u n d r y 分离) 之后，进一步将口设计从 设计中分离出来，完成c h i p l e s s 与f a b l e s s 的分工，产生了专门从事口设计的 公司，特别是本世纪以来片上系统技术的迅速发展，加速了这一进程。 i c 产业最近的一次分工始于9 0 年代末，目前仍在进行。这就是i c 设计产 业中的系统设计和知识产权模块( i p ，i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 设计的分工，形成 了以s o c 技术为主的c h i p l e s s ( 指整合d 以形成新的产品，不做具体模块的设 计) 设计方式。现今集成电路产业显著地表现出以下特点： ( 1 ) 市场性 市场的需求决定了集成电路产品的导向。 ( 2 ) 创造性 i c 设计是一项创造性极强的工作，对于每个品种来说，都是一个新的挑战。 ( 3 ) 更新性 i c 设计技术日新月异，设计方法和设计软件也在不断推陈出新。 3 ( 4 ) 紧迫性 集成电路产品尤其是消费类产品大都有上市时间的要求。i c 设计工程师所 面临的问题是以最快的速度设计出正确的、效益最大的产品。 ( 5 ) 合作性 由于技术的发展，i c 设计中的技术分工显得越来越重要。任何人都很难成 为所有方面的专家，而通常只能成为某一方面( 如系统、逻辑、版图) 的专家， 一个成功的设计必须由多人的共同努力才能完成。 ( 6 ) 风险性 i c 设计人员在产品的开发中承担着很大的风险，任何一点失误都可能造成 产品开发的失败。 1 1 2 集成电路设计方法和e d a 工具的变革 随着集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，集成电路芯片的设计工作 越来越复杂，因此亟需在设计方法和设计工具这两个方面有一个大的变革。各 种计算机辅助工具的出现以及设计方法学的诞生正是为了适应这样的要求。 过去3 0 多年来电子系统( 集成电路) 设计自动化e d a ( e l e c t r o n i c s y s t e m d e s i g na u t o m a t i o n ) 技术的发展，大致可分为三个阶段 3 】。集成电路设计自动化 的三个阶段，如图1 2 所示。 4 9 0 年代高层设计自动化j 8 0 年代计算机辅助工程j 7 0 年代计算机辅助设计j 行为综合一 土 ，弋 l 功能j 夕 工 逻辑综合j 逻辑一 布局布线一 审 图1 - 2 集成电路设计自动化的三个阶段 7 0 年代的第一代e d a 称为计算机辅助设计c a d 系统，它以交互式图形编 辑和设计规则检查为特点，硬件采用1 6 位小型机。那时的逻辑图输入、逻辑模 拟、电路模拟与版图验证是分别进行的，设计工程师需要对两者的结果进行多 次的比较和修改才能得到正确的设计。第一代c a d 系统的引入使设计人员摆脱 了繁杂、易于出错的手工画图、机械刻红膜的传统方法，大大提高了设计效率， 因而得到了迅速的推广。但是它仍不能适应规模较大的设计项目，而且设计周 期长、费用高。有时在流片后才发现原设计存在错误，不得不返工修改，其代 价昂贵。 8 0 年代出现了第二代e d a 系统，常称为计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ) 系统。它以3 2 位工作站为硬件平台。它集逻辑 图输入( s c h e m a t i ce n t r y ) 、逻辑模拟、测试码生成、电路模拟、版图设计、版 图验证等工具于一体，构成了一个较完整的设计系统。设计工程师以输入线路 图的方式开始设计集成电路工作，并在工作站上完成全部设计工作。它不仅有 设计全定制的电路版图编辑工具，还包括有门阵列、标准单元的自动设计工具 和具有经过制造验证的、针对不同工艺的单元库。对于门阵列、标准单元等电 路，系统可完成自动布局和自动布线功能，因而大大减轻了版图设计的工作量。 在c a e 系统中，更重要的是引入了版图与电路之间的一致性检查( l v s ，l a y o u t v e r s u ss c h e m a t i c ) 工具。此工具对版图进行版图参数提取( l p e ) 得到相应的 电路图，并将此电路图与设计所依据的原电路图进行比较，从而可以发现设计 是否有错。同时还将l p e 得到的版图寄生参数引入电路图，做一次电路模拟， 以进一步检查电路的时序关系和速度，在引入这些寄生参数后，是否仍符合原 设计要求。尽管这些功能的引入保证了流片的一次成功率，但是一致性检查和 随后的模拟仍是在设计的最后阶段才进行的，因而如果一旦发现错误，还需修 改版图和电路，这仍需付出相当大的代价，尽管这已可以避免流片的损失。 进入9 0 年代，芯片的复杂程度越来越高，数万门以至数十万门的电路设计 的需求越来越多。单是依靠原理图的输入方式已不堪承受，采用硬件描述语言 h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的设计方式应运而生，设计工作从行为、 功能级开始，e d a 向设计的高层次发展。这样就出现了第三代的e d a 系统， 其特点是高层次的自动化( h l d a ，h i g hl e v e ld e s i g na u t o m a t i o n ) 。 在第三代e d a 系统中，引入了硬件描述语言，一般主要采用v h d l 语言 和v e r i l o gh d l 语言，此外还引入了行为综合和逻辑综合工具。采用较高的抽象 层次进行设计，并用层次化方法进行管理，这可以大大提高处理复杂设计的能 力，设计所需的周期也大幅度缩短。综合优化工具的采用使芯片的品质如面积、 速度以及功耗等获得了优化，因而第三代e d a 系统迅速得到了推广。由于采用 了高层次设计自动化，可使设计者在正式流片以前多次改换电路的结构，从而 选出最佳的方案。 高层次设计与具体加工工艺库无关。用h d l 语言描述的设计可以通过逻辑 综合工具综合为一个现场可编程门阵列，即f p g a 电路，也可综合成某一工艺 所支持的专用集成电路，即a s i c 电路。h d l 原码对于f p g a 和a s i c 是完全 一样的，仅需要更换不同的工艺库重新进行综合。此外，由于工艺技术的进步， 需要采用更先进的工艺时，如0 1 8 9 m 技术改为0 1 3 1 a m 技术时，也可利用原来 所书写的h d l 原码。( 这里不考虑由于技术的进步设计方法学及算法的改进) 到了2 0 世纪9 0 年代中后期，s o c 技术越来越受到重视，并逐渐成为超大规模 集成电路设计中的主流技术。由于s o c 设计的固有复杂性，再加上消费类产品在 整个芯片市场上份额的不断增加，芯片的更新速度越来越快，造成产品上市时 间( 1 眦，t i m e t o m a r k e t ) 的压力也随之增加。因此迫切需要集成电路设计 方法学有更大的突破，这时一种新的s o c 设计方法基于平台的设计( p b d ， p l a t f 0 1 t nb a s e dd e s i g n ) 方法应运而生。 从目前的发展来看，未来新一代的e d a 系统将是一个统一的、协同的、集 成化的、以数据库为核心的系统。它具有面向目标的各种数据模型和数据管理 系统，有一致性较好的用户界面系统，设计管理环境和设计管理系统【4 j 。其主 6 要有以下特点： ( 1 ) 统一的数据库 数据库中存储了所有的设计信息，包括：网表( n e t l i s t ) 、原理图( s c h e m a t i c ) 、 符号图( s y m b o l i c ) 、掩膜图( m a s k l a y o u t ) 、行为描述( b e h a v i o r ) 、模拟结果 ( s i m u l a t i o n ) 、以及各种文档( d o c u m e n t a t i o n ) 等。数据库要确定每一设计视 窗的设计数据与另一设计视窗的设计数据之间的关系，并提供对所有工具都有 用的中间结果。各个工具可直接向数据库写入和读出数据，消除了各工具在转 换过程中产生的数据出错现象。 ( 2 ) 操作的协同性 利用对所有工具都有用的中间结果，可在多窗口的环境下同时运行多个工 具。这样就可以在设计过程中寻找错误，而不再是等到设计完成后再进行设计 规则检查，以避免整个设计过程的重复。 ( 3 ) 结构的开放性 新一代e d a 系统的结构框架具有一定的开放性，通过一定的编程语言作为 界面可访问统一数据库，同时在此框架中可嵌入第三者开发的设计软件。 ( 4 ) 系统的可移植性 整个软件系统可安装到不同的硬件平台上，这样可以组成一个由不同型号 工作站所组成的设计系统而共享同一设计数据，也可由低价的个人计算机和高 性能的工作站共同组成一个系统。未来的e d a 工具将高度自动化，这使得工程 师可以摆脱大量的设计细节，而专心于产品的系统级设计。因此有入说“未来 的集成电路设计者是科学家而不是工程师 。 1 2 课题研究内容 在“基于8 0 8 6 全硅计算机设计技术的研究”的课题下，论文研究的主要内 容是采用自项向下的设计方法，设计一个与i n t e l8 0 8 6 兼容的1 6 位微处理器疋 软核；基于8 0 8 6i p 软核，搭建全硅计算机的最小集，并实现f p g a 功能演示。 1 2 1 基于8 0 8 6 全硅计算机最小集的设计与验证 计算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大 规模集成电路计算机，它的发展一直是将越来越多的功能集成在越来越小的空 间内。按照这个逻辑，下一步应该将个人计算机集成于单个芯片内。 近几年，i n t e l 、a m d 和v i a 等微处理器制造商纷纷推出平台策略，将微处 理器、主板和芯片组组合在一起，形成一个完整的解决方案，并计划将来进一 步推出集成所有芯片的单芯片微处理器。种种迹象表明，半导体行业即将进入 后p c ( p o s t p e r s o n a lc o m p u t e r ) 时代。 在后p c 时代，个人计算机将传统p c 机箱里的主板上的芯片组、内存、显 卡、声卡和网卡等全部集成在单个芯片中，成为单芯片计算机，即全硅计算机 ( s i n g l e c h i pp c ) 。全硅计算机与传统p c 相比，重量、体积和功耗大幅下降， 7 从而系统性能得到极大地改善。同时带来价格的突破性下降，直接促进计算机 的迅速普及。在后p c 时代，p c 机不再是终极产品，而成为插入式的组件，并 应用于各种场合。后p c 时代不是p c 的彻底消失，而是p c 的重新定义。只有 p c 缩减到单个芯片，缩减成插入式设备，p c 才能成为信息时代无所不在的马 达【5 】o 目前中国的微处理器设计属于起步阶段，以龙芯为代表的一系列国产微处 理器，结束了中国在计算机关键技术领域的“无芯”历史，但全硅计算机的研 究工作尚未成形。 全硅计算机的设计，是在基于某一种型号c p u 及其外围i o 接口的s o c 设 计过程。因此，选择哪种型号的c p u 就成了全硅计算机设计的首要问题。 选择适当的设计指标对课题研究是非常重要的，在选择设计指标时要考虑 到设计的能力和研究的方向。从我国现有的i c 设计人才，国家投入的财力、物 力上看，都很难与i n t e l 和a m d 这样的国际大公司相比。在这样的背景下，在 制定全硅计算机解决方案的过程中，我们综合科研难度，工程进度的因素，选 择重点发展中、小规模的c p u 。同时考虑c p u 本身所具有的代表性，最终选择 以标准i n t e l8 0 8 6 微处理器及其外围i o 接口为平台，基于当代制造工艺、设计 方法和f l a s hr o m 存储器，研究基于8 0 8 6 全硅计算机( s i n g l ec h i pp c ) 的设 计技术。 1 2 28 0 8 6i p 软核的设计 课题研究内容是通过高性能1 6 位微处理器及其外围i o 接口的设计与验 证，研究构建全硅计算机。其中，8 0 8 6i p 软核的设计是课题进行的基础和核心。 在对标准i n t e l8 0 8 6 微处理器的体系结构和指令集进行分析的基础上，采用 自顶向下设计方法和模块化设计思想，进行处理器系统结构的划分，在指令集 实现层面，针对既定的指令集，按照指令执行的操作对指令进行分类，采用结 构复用的方法，完成指令集的设计以及处理器内部数据通道和控制器的r t l 级 设计，并对该设计进行了完备的r t l 级功能仿真验证，完成了一种与标准i n t e l 8 0 8 6 指令集兼容的可重用1 6 位微处理器p 软核的设计。 1 2 3 仿真与验证平台 无论是针对8 0 8 6i p 软核，还是针对基于8 0 8 6i p 软核的全硅计算机最小集， 都需要搭建一个设计与验证平台。针对设计，需要可以不断地扩充外围口；针 对验证，需要提供足够的测试向量、测试数据，以验证设计工作的正确性。 8 0 8 6 全硅计算机的设计是基于8 0 8 6 及其外围接口d 重用的s o c 设计过程。 因此，针对8 0 8 6i p 软核进行口单独验证，使用m e n t o rg r a p h i c s 公司m o d e l s i m 仿真工具进行r t l 级仿真：针对8 0 8 6 全硅计算机进行s o c 集成验证，使用 m e n t o rg r a p h i c s 公司m o d e l s i m 仿真工具进行r t l 级仿真、门级仿真，使用a l t e r a 公司d e 2 开发平台和q u a r t u si i 布局布线工具，对全硅计算机最小集进行f p g a 原型验证。 1 3 课题研究意义 论文基于8 0 8 6 全硅计算机设计技术的研究，完成了中等规模c p ui p 软核 和外围接口口软核的设计与验证，并在此基础上，将c p ui p 软核和外围接口 p 软核集成到s o c 设计平台中，完成了相关的验证工作。这对于提升p 设计技 术、口标准化以及基于口核的s o c 设计与验证能力具有重要的意义。 ( 1 ) 为口软核设计提供了实践经验 p 技术之所以受到广泛重视的主要原因是它为s o c 的设计提供有效途径。 我国已有一定的芯片生产和制造能力，i c 设计业也正在兴起，这将对坚实i c 产 业的基础起到积极作用，对改变我国集成电路产业的落后局面和缩短我国集成 电路技术与世界水平的差距，具有极为重要的战略意义。 在以往的几十年里，我国i c 设计业一直面对着“或者设计出整个奔腾，或 者完全被排除在设计业之外”的尴尬局面【6 1 。i c 设计业的最新一轮分工为打破 这种局面提供了一个适合我国国情的切入点中等难度和设计规模的口，口 产业的建立必将拉动我国i c 设计业。 ( 2 ) 掌握了c i s c 指令系统m p u 设计的关键技术 m p u 设计是集成电路设计领域较为高端的技术，论文掌握了微处理器及其 外围口高层语言描述的方法，以及采用自上而下的方法进行自主知识产权芯片 设计的相关技术，体现了理论借鉴和自我实践相结合的设计方法，有相当的理 论意义和实用价值，为在此基础上设计出更高档次的微处理器积累经验。 ( 3 ) 为进一步构建全硅计算机奠定了基础 微处理器核的实现是整个全硅计算机设计的关键，在此基础上，论文搭建 了基于8 0 8 6i p 软核的全硅计算机最小集，并实现了f p g a 功能演示，这为进一 步构建和丰富全硅计算机的设计奠定了基础。 1 4 论文结构 根据论文的研究内容，共分为五章，每章的主要内容如下： 第一章绪论。这一章介绍了课题研究背景、课题研究内容、课题研究意义 和论文结构。说明了课题基于8 0 8 6 的设计与验证平台，研究构建全硅计算机。 第二章全硅计算机设计方法学研究。这一章介绍全硅计算机的设计方法学 研究和相应的设计流程。主要工作包括介绍全硅计算机的系统级设计、设计平 台、验证平台。本章是后续章节的方法基础和理论依据。 第三章8 0 8 6i p 软核的设计与验证。这一章介绍8 0 8 6i p 软核的设计与验证。 具体工作主要包括8 0 8 6i p 软核的系统级设计、r t l 级代码的标准化设计和基 于测试平台的r t l 级仿真。 9 第四章全硅计算机最小集设计与验证。这一章介绍全硅计算机最小集的设 计与验证。以包含8 2 5 5 应用电路的全硅计算机最小集的设计为例，详细叙述了 全硅计算机最小集的系统级设计、r t l 级设计、r t l 级仿真，并采用两种不同 的方式实现r o m 和r a m 完成f p g a 原型验证。 第五章总结与展望。这一章总结了论文的成果，指出了当前研究工作中的 不足之处和需要进一步完善的地方，并对将来的工作设想做了介绍。 1 0 第二章全硅计算机设计方法学研究 这一章介绍全硅计算机的设计方法学研究和相应的设计流程。主要工作包 括介绍全硅计算机的系统级设计、设计平台、验证平台。本章是后续章节的方 法基础和理论依据。 2 1 全硅计算机设计方法研究 2 1 1 全硅计算机的系统级设计 2 1 1 18 0 8 6c p u 1 9 7 8 年，美国英特尔公司发布8 0 8 6 微处理器，这块1 6 位芯片仅包含了2 9 0 0 0 个晶体管，运行速度为5 m h z ，具有1 6 位数据通道，内存寻址能力为1 m b 。 1 9 7 9 年，英特尔公司又开发出了8 0 8 8 。8 0 8 6 和8 0 8 8 在芯片内部均采用1 6 位数据传输，所以都称为1 6 位微处理器，但8 0 8 6 每周期能传送或接收1 6 位数 据，而8 0 8 8 每周期只传送或接收8 位。因为最初的大部分设备和芯片是8 位的， 8 0 8 8 的外部8 位数据传送、接收能与这些设备相兼容。 1 9 8 1 年，美国m m 公司将8 0 8 8 芯片用于其研制的p c 机中，从而开创了 全新的微机时代。也正是从8 0 8 8 开始，个人电脑的概念开始在全世界范围内发 展起来，真正走进了人们的工作和生活之中【7 】。 作为一代1 6 位微处理器，i n t e l8 0 8 6c p u 以其经典的体系结构，在计算机 的发展史上具有标志性的地位。 2 1 1 2 基于8 0 8 6 的全硅计算机设计 全硅计算机是一个完整的系统，c p u 、存储器和输入输出接口是组成全硅 计算机系统的三大部件，它们通过总线连接起来，构成了全硅计算机的基本系 统。全硅计算机的系统级设计，是基于某一种型号c p u 及其外围i o 接口的s o c 设计过程。因此，选择哪种型号的c p u 就成了全硅计算机系统级设计的首要问 题。 选择适当的设计指标对课题研究是非常重要的，在选择设计指标时要考虑 到设计的能力和研究的方向。从我国现有的i c 设计人才，国家投入的财力、物 力上看，都很难与i n t e l 和a m d 这样的国际大公司相比。在这样的背景下，在 制定全硅计算机解决方案的过程中，我们综合科研难度，工程进度的因素，选 择重点发展中、小规模的c p u 。同时考虑c p u 本身所具有的代表性，最终选择 以标准i n t e l8 0 8 6 微处理器及其外围i o 接口为平台，基于当代制造工艺、设计 方法和f l a s hr o m 存储器，研究基于8 0 8 6 全硅计算机( s i n g l e c h i pp c ) 的设 计技术。 基于8 0 8 6 的全硅计算机结构，如图2 1 所示。 数据总线 控制总线 地址总线 图2 1基于8 0 8 6 的全硅计算机结构 8 0 8 6 全硅计算机结构