（电路与系统专业论文）八位mcu+ip核的设计与应用.pdf

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gh d l 语言。工艺库使用的是s m i co 3 5 u m 工艺库。 仿真验证的结果表明，8 位r 1 s cm c ui p 核s d u m 0 8 的设计达到了本课题要 求的目标，与p i c l 6 c 5 7 完全兼容。 关键词：微控制器l p 核嵌入式精简指令集硬件描述语言 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i pr e u s et e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h e d e s i g ne f f i c i e n c y t oal a r g ed e g r e ea n d d e c r e a s et h ec o s t h a r di p sa r eb e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo f t h e i r h i g h r e l i a b i l i t ya n df a c i l i t y t h ee m b e d d e dm c uc o r ei sak i n do fi p sw i d e l yu s e di nv a r i o u s s y s t e m s s d u m 0 8i pc o r ei sa n8 - b i tr i s cm c ud e v e l o p e db yt h ea s i cd e s i g nc e n t r eo f i n f o r m a t i o na n dt e c h n o l o g ys c h o o li ns h a n d o n gu n i v e r s i t y t h i sc o r ei sc o m p a t i b l e w i t hp i c16 c 5 7o fm i c r o c h i pc o m p a n y i tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，a u t o m o b i l e ，i n s t r u m e n t a t i o n ，a p p l i a n c ea n ds oo n t h i sp a p e rg i v e sc o m p l e t ea n a l y s i sf o rt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，i n s t r u c t i o ns e ta n d s y s t e mt i m es e q u e n c eo fp i e 16 c 5 7 b a s e do nt h ea n a l y s i s ，s d u m 0 8m c u1 pc o r e s t o pf u n c t i o nd e f i n i t i o n ，s t r u c t u r ep a r t i t i o na n dm o d u l ep a r t i t i o na r ei m p l e m e n t e d i th a s b e e na p p r o v e dt h a to u rm o d e lf o rs d u _ m 0 8m c ui pc o r ei sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n ，s y s t e mc o m p a r t m e n t a l i z a t i o na n dd e s i g no fs u bm o d u l e s ， r t lc o d i n ga sw e l la ss i m u l a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i li nt h i st h e s i s t h ep o w e r c o n s u m p t i o n ，a r e aa n dt i m i n ga r et a k e ni n t op r i o rc o n s i d e r a t i o ni nt h ed e s i g n s o m e m o d u l e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt on e wm e t h o d i nt h i sp a p e r ，w eh a v eg i v e nt h er e s u l t o fn e t l i s ts i m u l a t i o n ，p r o c e s sa n dr e s u l to ff o r m a l i t ya n ds t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ( s t a ) t o o l su s e di nt h i sd e s i g ni n c l u d ev c s ，d e s i g nc o m p i l e r ，f o r m a l i t ya n dp r i m e t i m eo f s y n o p s y sc o m p a n y t h i si pc o r ei sd e s c r i b e db yv e r i l o gh d l ，s y n t h e s i z e db a s e do l l s m i co 3 5 u r nt e c h n o l o g yl i b r a r y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g ni sv e r ys u c c e s s f u l ，a n dt h ec o r ei sf u l l y c o m p a t i b l ew i t hp i c1 6 c 5 7 k e y w o r d s ：m c u i pc o r ee m b e d d e dr i s c v e r i l o gh d l 2 山东大学硕士学位论文 符号说明 a s l c a t p g c i s c c p i c p u d f t d s p e d a e d i f f s r g d s i i g u i h d l i c i p m c u p r r a m i u s c r o m r t l s d f s o c s t a t c l u d p v l s i w d t a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t a u t o m a t e dt e s tp r o g r a mg e n e r a t i o n c o m p l e xi n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r c y c l e sp e ri n s t r u c t i o n c e n t m lp r o c e s s i n gu n i t d e s i g nf o rt e s t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n e l e c t r o n i cd e s i g ni n t e r c h a n g ef o r m a t f i l es e l e c tr e g i s t e r g e o m e t r i cd a t as t r e a mi i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 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 i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y m i c r oc o n t r o l l e ru n i t p l a c ea n dr o u t e r a n d o ma c c e s sm e m e r y r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r r e a do n l ym e m e r y r e g i s t a rt r a n s f e rl e v e l s t a n d a r dd e l a yf o r m a t s y s t e m o na c h i p s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s t o o lc o m m a n d l a n g u a g e u s e rd e f i n e dp r i m i t i v e v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n w a t c hd o gt i m e r 专用集成电路 自动测试程序产生 复杂指令集计算机 平均时钟周期数 中央处理器 可测性设计 数字信号处理 电子设计自动化 电子设计交换格式 寄存器选择寄存器 几何数据流格式i i 图形用户界面 硬件描述语言 集成电路 知识产权 微控制器 布局布线 随机存储器 精简指令集计算机 只读存储器 寄存器传输级 标准延时文件格式 片上系统 静态时序分析 工具命令语言 用户定义原语 超大规模集成电路 看门狗定时器 3 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为 代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时 代的强大引擎和雄厚基石。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的 6 5 与集成电路相关。预计未来几年内，世界集成电路销售额将以年平 均15 的速度增长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元。国内集成电路行业 规模正在迅速扩大，2 0 0 5 年中国i c 设计公司的销售到达了4 9 6 亿元。回顾近几 年中国集成电路产业的发展，有以下几个特点： 一、集成电路产业形成了l c 设计、芯片制造、封装测试三业及支撑配套业共 同发展的较为完善的产业链格局。总结前几年的经验并结合国内企业特点，业界 形成了“以l c 设计业为先导，l c 制造业为主体”的发展战略思想。 二、在规模快速扩大的同时，技术水平取得突破性发展。集成电路制造技术 水平已提升到0 1 s u m 乃至0 1 3 u m 、0 1 l u m 的国际先进水平。设计企业的业务活 动已经从芯片设计扩展到系统解决方案、硅知识产权( 1 p ) 的交换交易、i c 设计 服务、测试，直到产品营销。 三、“中国芯”的开发和产业化取得了突破性的进展。一大批具有自主知识产权 的芯片，从多个c p u 、d s p 芯片到数字视频和3 g 通信芯片都已开发成功，2 0 0 4 年第二代身份证芯片和数字多媒体芯片、m p 3 芯片等都成功地实现了产业化。 1 2 微控制器( m c u ) 概述 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 又名微控制器，是在一片硅片上集成了微处理 器，存储器和各种输入、输出接口，具有一台计算机的属性，因而被称为单片微 型计算机，简称微控制器。自2 0 世纪7 0 年代问世以来，以极其高的性能价格比 受到人们的重视和关注，所以应用广泛，发展很快。微控制器的优点是体积小、 山东大学硕士学位论文 重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高、灵活性好，开 发较为容易。在我国，微控制器已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、 智能仪器仪表、家用电器等各个领域。8 位m c u 的应用非常广泛，从家中的各种 电器、遥控器、p c 的鼠标，键盘到汽车的控制，再到写字楼的安防设备，8 位m c u 无处不在。随着生活中智能控制产品越来越多，8 位m c u 市场稳步增长，其中汽 车电予和消费类电子将是m c u 的最大的市场。据统计，我国的微控制器年用量已 达1 3 亿片，且每年以大约1 6 的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还 不到l 。这说明微控制器应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景口】。 1 3 精简指令集计算机( r i s c ) 1 3 1r i s c 技术的起源 传统的c i s c ( 复杂指令系统计算机) 结构采用复杂的指令系统来支持高级语 言和操作系统，以达到增强机器功能和提高机器速度的目的，但同时也导致机器 的结构特别是机器的指令系统变得越来越庞杂。 7 0 年代中期，计算机结构设计者开始感到这种日益庞大复杂的指令系统不但 实现起来越来越困难，而且还有可能降低整个系统的性能。为此，国外一些公司 和大学开展了对指令系统合理性的研究。i b m 公司从1 9 7 5 年就开始组织力量着手 于这方面的研究工作，并试探用精简机器的指令系统的思路来设计计算机系统。 1 9 7 9 年，美国加州大学伯克利分校以d a v i dp a t t e r s o n 为首的研究小组对此作了进 一步的研究，p a t t e r s o n 等人提出了精简指令系统计算机的设想，通过精简指令系 统来使计算机结构变得简单、合理、有效。进入8 0 年代，特别是在微型机和小型 机已开始走向商品化实用阶段，r i s c 的结构和思路很快就受到许多公司和大学的 重视，同时，对r i s c 技术的研究和应用也进入了一个崭新的阶段。 1 3 2r i s c 技术的主要内容 如何用简单的指令来提高机器的性能，特别是提高c p u 执行程序的速度呢? 一 般说来，c p u 的执行速度受三个因素的影响，即程序中的指令数i 、每条指令执 山东大学硕士学位论文 行所需的周期数c p i 和时钟频率f 。 性能因子c p i 和执行时间d i 性能因子是指微控制器每条指令的平均时钟周期数c p i ( c y c l e sp e r i n s t r u c t i o n ) ： c 阼黑鬻 程序总的执行时间t 为： c p ix 指令数c p ix l 时钟频率f 时钟频率，指令数，执行时间是微控制器性能的主要指标。在影响t 的三个因素中， 时钟频率取决于硬件技术：c p i 与指令集和m c u 的组成结构有关；而指令数由指 令集和编译技术决定。要使微控制器的性能得到提高，优化指令集、减少程序的 总指令数和降低c p i 值是设计主要考虑的问题。很显然，减少指令数i 、每条指令 执行所需的周期数c p i ，提高时钟频率f 便能有效地提高c p u 的速度，提高机器 的性能。为此，r i s c 技术主要采取了以下一些措施： ( 1 ) 精心选择指令，优化指令系统。 ( 2 ) 指令的执行采用流水和延迟转移技术。 ( 3 ) 在逻辑上采用以硬件为主，软件为辅的技术。 ( 4 ) 采用优化编译程序。 1 3 3r i s c 技术的优缺点 实践证明，采用r i s c 结构可以带来如下明显的好处： ( 1 ) 简化指令系统设计，适合超大规模集成电路实现。 ( 2 ) 可以提供直接支持高级语言的能力，简化编译程序的设计。 ( 3 ) 可提高机器的执行速度和效率，降低设计成本，提高系统的可靠性。 但是，r i s c 结构也存在一些问题和缺点： ( 1 ) 由于指令少，加重了汇编语言程序员的负担，增加了机器语言程序的长度 从而占用了较大的存储空间。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 早期的r i s c 结构对浮点运算的支持不够，对虚拟存储器的支持也不够理 想。 ( 3 ) 相对来说，r i s c 机器上的编译程序要比c i s c 机器上的难写，即必须有 一个编写很好的编译程序，否则，其结构的潜在优势就难以发挥。 1 3 4r i s c 的设计原则 精简指令集计算机具有单周期单指令，存储器到寄存器的操作，简单的寻址方 式和简单的指令格式的结构特征，其设计原则为： ( 1 ) 选择使用频率高的指令，补充少量高效指令； ( 2 ) 指令的结构简单，所有指令长度相等； ( 3 ) 采用流水线技术，尽量使c p i = 1 ； ( 4 ) 使用l o a d s t o r e 操作指令访问存储器； ( 5 ) 采用通用寄存器( g p r ) 结构： ( 6 ) 优化编译，提高执行效率。 1 4 课题工作内容、研究现状、意义、创新和论文结构 1 4 1 工作内容 ( 1 ) 系统级设计 在认真细致地研究学习m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 7 的系统结构及指令集的基 础上，结合当前先进的i p 核设计技术，确定系统的结构和模块的划分，详细定义 各模块的输入输出端口及功能，进行行为级建模与验证，同时编写详细的技术规 范文档。 ( 2 ) 子模块编码与仿真 基于v e r i l o gh d l 硬件描述语言，完全采用可综合描述规则，描述各功能模块， 进行r t l 级仿真，并且，对各予模块分别进行预综合处理。 注：a l u 模块、d a t am u x 模块以及通用寄存器模块的r t l 编码与仿真由 设计小组的另一位成员完成。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 顶层模块设计 在各功能模块仿真验证通过后，进行顶层模块的设计与仿真， 的功能验证。 ( 4 ) 综合与静态时序分析 在r t l 级仿真通过后，进行系统的综合，并进行门级仿真， 致性验证( f o r m a l i t y ) ，然后，进行静态时序分析( s t a ) 。 1 4 2 研究现状及意义 并进行整个系统 同时进行功能一 在m c ui p 核方面，美国、日本等国的学者做过与本课题类似的研究和开发工 作，采用v h d l 语言设计在指令和时序上与工业标准8 0 c 5 l 、6 8 h c l l 完全兼容的 i p 核，这种方法使得硬件设计者能够实现片上系统( s o c ) 设计。 在国内，清华大学微电子研究所曾经采用高层综合的方法设计出8 0 c 5 l 微处理 器嵌入式内核，在1 2 u m 工艺线上完成了投片实验，获得了满意的结果；他们还 采用同样的方法研究实现了一个与m o t o r o l a 6 8 h c 0 5 指令兼容的8 位c p u 核的设 计。合肥工业大学微电子研究所也在0 3 5 u m 工艺线上成功地完成了8 位m c u 核 的投片实验。 本课题( s d um 0 8 ) 的设计具有重要的意义： ( 1 ) 从i p 设计技术层面看，本课题按照自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，从 系统级结构和模块划分到硬件语言描述、综合、仿真、版图及各种分析等，探究 了s y n o p s y s 公司的v c s 、d e s i g nc o m p i l e r 、p r i m et i m e 、f o r m a l i t y 等工具的使用， 掌握了i p 正向设计的基本方法，积累了宝贵经验。 ( 2 ) 从r i s cm c u 设计技术层面看，m c u 设计是集成电路设计领域中类c p u 设计，通过本课题的设计过程，了解并掌握了r i s c 指令系统m c u 的体系结构设计、 译码、硬布线控制设计、预分频器设计、看门狗设计、复位设计等等一系列r i s c m c u 设计的关键技术。 ( 3 ) 从嵌入式系统设计技术层面看，集成电路发展已进入i pc o r e 复用的s o c 时代，8 位嵌入式微处理器发展的一个重要特点是片上系统s o c 化。微控制器 ( m c u ) 是嵌入式系统的核心，并己广泛地应用于各个领域。本课题的设计也为 山东大学硕士学位论文 基于i p 核的嵌入式系统设计积累了经验。 ( 4 ) 从市场应用层面看，8 位微控制器是目前市场上同类产品中占市场份额最 大的一块，且符合我国集成电路当前的设计水平，以它作为参与市场竞争的突破 口，来提高企业的市场竞争能力和技术创新能力，是一个切实可行的方案。 1 4 3 论文创新 ( 1 ) 将系统的主时钟分频产生四相时钟，用于取指、译码、执行、回写：本设 计中采用了将系统的主时钟作为钟控时钟，而将四相时钟作为使能信号，实现相 同的功能。这样处理的最大优点在于系统使用一个主时钟( w d t 看门狗模块除外) ， 可以大大简化综合时添加约束的工作量，大大减少了时序路径( t i m i n gp a t h ) 数。 ( 2 ) 对堆栈部分的设计，使用s t a c k l e v e l i ：o 】来控制堆栈的读写，而压入堆栈 的地址将不进行s t a c k l 与s t a c k 2 之间的传递，减少寄存器的翻转次数，一定程度 上可以降低系统功耗。 1 4 4 论文结构 本论文共分为六章。 第一章绪论，介绍了i c 设计现状，微控制器与精简指令集介绍，以及课题的 工作内容、意义和创新点。 第二章芯片设计中的i p 技术，介绍了i p 分类、特征、开发流程与关键技术， 以及本课题的设计流程。 第三章系统级设计与指令系统，介绍了系统的项层结构和指令系统，以及所采 用的设计方法和顶层结构的划分等。 第四章予模块及顶层模块结构与实现，详细介绍了各个子模块的结构与实现， 给出了模块实现结构详图及仿真结果，还给出了顶层模块的r t l 级与门级仿真结 果等。 第五章形式验证与静态时序分析，介绍了形式验证的流程与结果，以及静态时 序分析的流程与结果。 第六章工作总结。 山东大学硕士学位论文 2 1 i p 分类 第二章芯片设计中的i p 技术 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 就是常说的知识产权。i p 核模块有行为( b e h a v i o r ) 、 结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三级不同程度的设计，对应描述功能行为的 不同分为三类，即软核( s o f tc o r e ) 、完成结构描述的固核( f i r mc o r e ) 和基于 物理描述并经过工艺验证的硬核( h a r dc o r e ) 4 】。 ( 1 ) 软核( s o f tc o r e ) ：软i p 是设计投入最少，只完成r t l 级的行为设计， 以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 ) 描述文本的形式提交使用，这个h d l 描述一定经过仿真验证，使用者可以用它综合出正确的门级网表。软i p 定是优 化的行为级设计，与其它设计相比，它所需的硬件数量最小。 ( 2 ) 硬核( h l r dc o r e ) ：i p 硬核是基于半导体工艺的物理设计，已有固定的 拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的 形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。硬 i p 是l p 模块的最深层次，涉及广泛内容，它也是最主要的形式。 ( 3 ) 固核( f i r mc o r e ) ：i p 固核的设计程度则是介于软核和硬核之间，除了 完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。般以 门级电路网表的形式提供给用户。 2 2 i p 的基本特征 i p 的本质特征是可重用性，其通常必然满足以下基本特征：一是通用性好，二 是正确性有1 0 0 的保证，三是可移植性好。 通用性好是指l p 的功能在某一应用领域广泛通用，1 p 的实现一般满足子功能 可配置、甚至可编程的特点，如最常见的i p 嵌入式c p u 模块就具有非常好的通用 性。 正确性有百分之百的保证是指i p 的实现严格遵守一系列的可重用设计开发规 山东大学硕士学位论文 范，i p 的验证用例具有完备性，功能覆盖率、测试覆盖率都能够达到1 0 0 ；并能 够完全覆盖i p 工作的临界条件，提供相应的大流量测试、随机性测试、甚至能够 提供软硬件协同仿真的测试环境等。 可移植性好是指i p 的实现如行为描述、网表、g d s i i 文件具有可移植性，其 设计输入可以在不同的开发平台上重现；综合用批处理文件具有可移植性，l p 的 综合结果可以用不同的综合工具，在不同的综合库条件下正确重现：仿真用测试 用例可重用，测试环境可以很方便的重现，i p 的验证可以用不同的仿真器，在不 同的仿真库条件下重现。 2 3 i p 开发流程 i p 开发的流程主要包括两条主线：i p 设计和i p 验证。i p 设计流程一般可划分 为确定规格和模块划分、子模块的定义和设计、顶层模块的设计、产品化等四个 阶段。i p 验证流程包括了建立参照模型、建立测试平台和准备验证用例、回归测 试、形式验证【”。如图2 1 所示。 系统级设计验证 r t l 编码仿真 f p g a 综合仿真la s i c 综合仿真 f p g as t aa s i cs t a f p g a 布局布线la s i c 布局布线 f p g a 验证a s i c 物理验证 m c ui p c o r e 流片验证 图2 - 1i p 开发流程示意图 山东大学硕士学位论文 2 3 1i p 设计的四大阶段 ( 1 ) 确定规格和划分模块 i p 的规格至少包含以下内容：概述、功能需求、性能需求、物理需求、详细的 结构模块框图、对外系统接1 2 1 的详细定义、可配置功能详细描述、需要支持的制 造测试方法、需要支持的验证策略等。确定规格的过程一般又包括行为建模进行 功能论证，可行性分析就性能和成本进行折中等活动。划分模块是指规划师在给 出i p 结构模块框图的同时，对于每个子模块给出一个详细的功能描述，同时必须 明确予模块之间的接1 3 的时序要求。只有规划好，才能够建设好。确定规格和划 分模块是i p 开发是否成功最为关键的一步。 ( 2 ) 子模块定义和设计 设计小组对所有子模块的规格进行讨论和审查，重点检查时序接口和功能接口 的一致性。设计者随后整理出子模块的详细设计方案。接下来设计者按照实现方 案开始编写r t l 代码、编写时间约束文件、综合的批处理文件、予模块验证用测 试平台( t e s tb e n c h ) 和测试套件( t e s ts u i t e ) 等。当这些工作完成并通过代码规范 性检查、测试覆盖率检查、功能覆盖率检查、性能分析包括( d f t 、s t a ) 检查、 功耗分析检查等验收以后，这个子模块就可用来与其它模块一起集成了。 ( 3 ) 顶层模块设计 顶层模块的设计就是把子模块集成起来，产生顶层模块，并对它做综合处理和 功能验证。综合过程包括编写综合的批处理文件，在不同的参考库上综合，针对 在制造上的可测试性插入扫描链、a t p g ，并进行最终的性能分析和功耗分析等。 验证过程包括根据由行为模型发展来的测试向量对顶层模块进行仿真测试，针对 i p 模块的可配置选项进行多种配置条件下的回归测试，利用仿真工具检验测试向 量的覆盖率等。 ( 4 ) l p 的产品化 i p 产品化的过程包括以下几个部分：提供i p 设计和验证用测试平台( t e s t b e n c h ) ，用商用转换器进行打包提交，但转换后需要重新验证，比如做回归测试 以确保转换有效，并强调在几个主流仿真器上做仿真，在几种主要工艺库上做综 合，做门级仿真，做形式验证以保证网表和r t l 级的一致性，产生或更新用户文 山东大学硕士学位论文 档等。如果是硬i p 的开发，还需要在顶层模块( 软i p ) 的基础上进行布局布线， 版图提取，时序分析和形式验证，集成到试用该i p 的原型芯片内进行试制投片， 并在演示板上得到验证。 2 3 2i p 验证的主要过程 ( 1 ) 建立参照模型 参照模型主要用于对系统功能进行验证以及和r t l 模型的对照验证，是验证 方法学提出的范畴。该模型可用s y s t e m c v e r i l o gh d l v h d l 等语言来构造。 ( 2 ) 测试平台的建立 测试平台的建立是指与予模块设计并行，由验证组的一些成员开始搭建验证环 境和开发测试用例，并针对i p 的行为级模型对测试环境和测试用例进行调试，从 而同步准备好用来仿真测试r t l 级1 p 的验证环境和测试用例。 ( 3 ) 回归测试 回归测试解决的问题是设计在修改一个错误的同时，却引入了另外一个错误。 回归测试保证在修改一个错误或加入一个新功能时，已经验证过的基本功能仍然 正确。验证工程师应该注意在验证过程中找到一个错误，或加入一个新的功能时， 要把它们对应的测试用例及时加入到我们的回归测试集中。 ( 4 ) 形式验证 形式验证是一种系统级的验证手段，不需要测试向量，而是根据“静态”地通 过判断两个设计是否等价来确认它们的功能是否一致，因此，形式验证必须事先 有一个参照设计。在i p 验证过程中，前面建立的参照模型就是我们的参照设计。 形式验证常用来判断一个设计更改后和更改前实现的功能是否一致。同时，形式 验证也被用来确认综合后、插入扫描链后、版图提取后网表实现的功能前后是否 一致1 6 1 。 2 4i p 开发过程中的关键技术 技术特征：一是i p 规格的定义，二是i p 模块的编码、综合、验证和文档开发 等，三是i p 开发过程中e d a 工具的支撑，四是i p 开发过程中的质量控制，五是 山东大学硕士学位论文 l p 打包提交技术，六是i p 评测技术。其中，i p 的规格定义、i p 的验证和i p 的打 包提交是l p 开发过程中的三大关键技术。 2 4 1i p 的规格定义 i p 模块的规格定义必须能够解决以下问题：一是明确i p 需要提供什么样的功 能，性能需要达到什么样的技术指标。二是定义好i p 模块与外部系统的接口。三 是定义好该i p 模块在可移植性方面所做的努力。四是定义好i p 模块的面积和功耗 等物理特性。这里我们只重点探讨i p 与外部系统接口标准化的问题。为了使开发 的i p 能够高效的集成到新的设计中去，标准化是必由之路。这包括i p 模块接口的 标准化，i p 封装的标准化等内容。方便快捷的连接各虚拟器件的方法是片上总线。 然而太多的总线专利在使用，没有一个完美的片上总线能适应所有的情况。这是 因为片上系统的环境和性能需求差异非常大。国际上v s i a 组织的一个片上总线工 作组先定义了各种片上总线的属性，然后定义了能够连接各种片上总线的 v i r t u a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e 。i p 模块接口只要遵从v c i 规范标准，就能用一个接口 设计而适应多个不同的片上总线。 2 4 2 i p 的验证 i p 的验证必须是完备的、具有可重用性的。i p 验证的完备性首先要求在设计 i p 仿真测试方案时必须体现出以下几个方面：一是从i p 的规格出发，对每一个模 块测试功能点t t e s tf e a t u r e ) 进行分析，定义每个子模块的仿真测试日标，并确定 哪一个测试向量可以验证该测试功能点。二是整理一个明确的测试列表，包括对 目标的估计的和测试覆盖情况。三是对测试用例的详细设计，并定义验证通过的 标准。其次，i p 的验证必须覆盖以下测试类型：一致性测试、回归测试、边界条 件测试、长时间随机测试、实际应用环境测试等。i p 验证的测试覆盖率、功能覆 盖率都需达到1 0 0 。i p 验证的可重用性首先要求搭建的i p 仿真环境是由一系列 可重用的测试组件构成的，如定义总线功能模型，通用的数据处理任务集等。对 每一个组件，都应该有关键特征的描述。其次，l p 验证要求列出采用的仿真器、 仿真库及其版本。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 4 3i p 的打包提交 i p 打包技术是指在i p 开发基本结束后，将零散分布的设计信息集成的过程。 其主要目的是使得设计者提供完整、清晰、明了的设计信息。软i p 开发者提交给 用户的信息至少应包括：( 1 ) 可综合的h d l 代码和它的子模快；( 2 ) 综合脚本文件及 时间约束文件：( 3 ) 插入扫描链和做a t p g 的脚本文件：( 4 ) 综合和仿真用参照库模 型：( 5 ) 验证中使用的总线功能模型和其他的系统组件型；( 6 ) 测试激励文件及相应 测试向量；( 7 ) 用户文档包括用户手册功能描述、数据手册等：( 8 ) 应用要点，包括 该i p 使用的具体的例予，可配置特性等。 2 5 m c u i p 核设计流程 采用数字系统高层次设计技术，按照自顶向下的设计方法和流程，使用v e r i l o g 语言，借助于多种e d a 工具完成m c ui p 核的设计、综合及仿真验证。由于高层 次设计的特点，在设计过程中自始至终贯彻系统的观点，从设计、综合到仿真验 证都尽量从系统的角度去分析考虑。整个m c ui p 核( s d um 0 8 ) 设计流程如下： ( 1 ) 对p i c1 6 c 5 x 微控制器系统结构、指令系统和系统时序进行了分析，并 且在此基础上对精简指令集m c u1 p 核进行顶层功能和结构的定义与划分： ( 2 ) 用v e r i l o gh d l 行为级描述整个核，主要为划分模块、验证可实现性。用 s y n o p s y s 公司的仿真软件v c s 7 0 进行行为级仿真，以验证系统的可实现性； ( 3 ) 用可综合的v e r i l o gh d l 重新描述各个分模块，在s y n o p s y s 公司v c s 7 0 环境下调试各个模块，进行功能仿真平u 时序仿真： ( 4 ) 在s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r 上调试各个模块的r t l 描述的可综 合性，进一步除错： ( 5 ) 将各个模块组合，建立可综合的顶层模块，用v c s 7 0 软件进行验证； ，( 6 ) 对整个设计进行电路综合和优化，所得到的网表信息含有电路中信号的延 时信息，最后再做带延时信息的仿真验证； ( 7 ) 静态时序分析( s t a ) ，同时进行设计的功能等效性验证( f o r m a l i t y ) ； ( 8 ) 布局布线等物理设计部分。 山东大学硕士学位论文 第三章系统级设计与指令系统 3 1 数字系统高层次设计 高层次设计方法是数字系统设计最新、最先进的方法。高层次设计技术是面向 系统的设计技术，设计者采用硬件描述语言( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e h d l ) 对系统进行语言级描述，而不是采用传统的逻辑图形式来设计系统。数字系统的 设计包括行为、结构和物理三个领域。行为指系统的功能；结构指系统的逻辑组 成：物理指系统具体实现的几何特征与物理特性。根据抽象级别的不同，数字系 统又划分为若干层次，一般自顶向下包括系统级、行为功能级( 或称算法级) 、 寄存器传输级( r t l ) 、逻辑级、晶体管级等。通常将寄存器传输级以上的层次称 为高层次。利用硬件描述语言对寄存器传输级以上的层次进行的描述设计称为高 层次设计，描述的层次越高，设计的层次就越高。如在行为功能级上进行描述， 经高层次的自动综合优化、模拟和验证及可测性设计综合，并根据相应的约束条 件自动产生出门级电路，最终生产实现高质量的硅片，这就是高层次设计的全过 程。因此，有人预言：“未来的v l s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 设计者是科学家 而不是工程师”。意思是说：由于e d a 工具的高度自动化，设计重点将转向概念 设计，而大部分工程实现中的技术问题都可依靠e d a 工具解决。高层次设计技术 主要包括功能强大的硬件描述语言、高层次综合技术、高层次模拟技术以及测试 设计的综合技术与自顶向下的设计方法 7 1 。 在设计中采用高层次设计自动化技术后，给整个设计带来了如下优点： ( 1 ) 提高了设计速度、缩短了产品开发周期 由于高层次设计的描述采用行为级描述语言，这种语言易于描述，且简练，一 般行为级h d l 大约仅为相同功能r t l 级h d l 代码的十分之一。这可明显地提高 设计速度，缩短设计周期，并使得非集成电路专家可直接参与从行为描述到芯片 的设计工作，从而可以使更多的人同时进行设计，加速了整体的设计进程。 ( 2 ) 有效保证了设计质量、降低了成本 高层次设计中行为描述通常要比低层次的结构描述简洁而又易于编写和理解， 山东大学硕士学位论文 这就相应的降低了设计的复杂性，减少了描述错误，且容易发现和修改。另外， 由于描述层次的提高而大大缩短了仿真时间，并使设计中出现的问题能在早期得 到发现，降低整体设计的成本。 ( 3 ) 优化产品设计方案 基于行为级的设计可以优化设计的体系结构，可寻求最优或最满意的实际方 案，可快速评估多种结构间的性能价格比。 ( 4 ) 与工艺无关，提高了设计的再利用性 在高层次设计中，由于h d l 语言具有与工艺无关的特性，因而在行为级和结 构级就不用去关心与工艺相关的细节，这就为设计的再利用性提供了条件，也为 今后更快设计出新产品创造了条件，即一旦半导体厂商工艺改变，只需用厂商的 新库重新综合即可。 ( 5 ) 大大提高了设计的可交流性 在高层次设计，用户一般以h d l 语言描述作为设计的规范说明和需求说明， 在经过层次综合、用户修改、验证以后，认可将结果转换为v r i l o gh d l 语言库， 从而可以实现设计过程自动文档化。 ( 6 ) 提高了产品的可测试性 通过高层次没计的产品，可降低设计的复杂性，提高产品的可测试性和故障覆 盖率。 3 1 1 自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法 自顶向下的设计是从系统级开始，把系统划分为基本单元，然后再把每个基本 单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用e d a 元件库 中的元件来实现为止 8 1 。 优点： ( 1 ) 在设计周期伊始就做好了系统分析。 ( 2 ) 由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能够早期发现结 构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑仿真的工作量。 ( 3 )自顶向下的设计方法方便了从系统划分和管理整个项目，使得几十万门甚 山东大学硕士学位论文 至几百万门规模的复杂数字电路的设计成为可能，并可减少设计人员，避免不必 要的重复设计，提高了设计的一次成功率。 缺点： ( 1 ) 得到的最小单元不标准。 ( 2 ) 制造成本高。 3 1 2 自下而上( b o t t o m u p ) 的设计方法 自下而上的设计是一种传统的设计方法，对设计进行逐次划分的过程是从存 在的基本单元出发的，设计树最末枝上的单元要么是已经制造出的单元，要么是 其他项目已开发好的单元或者是可外购得到的单元，这种设计方法与只用硬件在 模拟试验板上建立一个系统的步骤有密切联系【9 】。 优点： ( 1 ) 设计人员对于用这种方法进行设计比较熟悉。 ( 2 ) 实现各个予块电路所需的时间短。 缺点： ( 1 ) 一般来讲对系统的整体功能把握不足。 ( 2 ) 实现整个系统的功能所需的时间长，因为必须先将各个小模块完成，使用 这种方法对设计人员之间的相互协作有比较高的要求。 3 2