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(电路与系统专业论文)基于高层次综合的mcu+ip核的设计研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 随着信息技术的飞速发展,系统级芯片s o c 成为集成电路发展的主流。 基于i p 核复用技术的设计重用方法能大大提高s o c 开发效率,降低设计成 本,从而逐渐成为一种主流设计方法。开发具有自主知识产权的i p 核不仅具 有广泛的应用前景而且对提高我国集成电路设计水平具有重要意义。 本文在对i n t e lm c s 一8 0 5 lm c u 指令集进行深入分析的基础上,按照自 顶向下的数字a s i c 系统高层次设计流程,对m c ui p 核进行顶层功能和结 构的定义与划分,并逐步细化了各个层次的模块设计,建立了具有特色的 m c u i p 软核模型。 本文完成了m c ui p 核数据通路和控制通路各个层次模块的设计规划, 使用硬件描述语言v h d l ,实现了m c ui p 核各模块的设计;借助e d a 工具 i s e 集成开发环境完成了i p 核各模块的编程、调试和面向f p g a 的布局布线; 逻辑综合在s y n p l i f y 综合工具中完成;使用m o d l e s i m 仿真工具对其进行了 较完整的功能仿真和时序仿真;总结了v h d l 语言在i p 核设计中的描述风 格和设计技巧;给出了m c ui p 核扩展应用示例。 设计完成的m c ui p 核在最高时钟频率和指令执行效率指标上均优于传 统典型微控制器m c s 一8 0 5 l 内核2 倍以上。该软核以可综合的v h d l 语言 描述代码形式和e d i f 标准网表文件两种形式存在,可与任何综合库、工艺 库以及f p g a 结合开发出用户需要的固核和硬核。由v h d l 语言写成m c u i p 软核,可读性好,易于扩展使用,易于升级,适用于基于i p 核复用技术的 s o c 设计。 关键词:i p 核,系统级芯片,微控制器,软i p 核,高层次设计 塑! ! 三些查兰堡尘圣 垒! :! 筌! a b s t r a c t 、m t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y s o ch a sb e c o m e t h em a i nd i r e c t i o nf o rt h ea s i c t h em e t h o d o l o g y , w h i c hb a s e do nt h ei p d u p l i c a t et e c h n o l o g y ,c a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y a tal a r g ed e g r e ea n d d e c r e a s et h ec o s t ,s oi ti sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ec h i e fm e t h o d o l o g yo fs o c s d e s i g n t od e v e l o pm c u i pc o r en o to n l yh a sa na b r o a da p p l i c a t i o nf u t u r e ,b u t a l s oi si m p o r t a n tf o rt h ea d v a n c eo f l cd e s i g ni no u rc o u n t r y b a s e do nt h o r o u g ha n a l y s i so fi n t e lm c s 一8 0 51m c ui n s t r u c t i o ns e t t h e m c ui ps o f tc o r e s t o p f u n c t i o nd e f i n i t i o na n ds t r u c t u r e p a r t i t i o n d e t a i l e d d e s c r i p t i o no fa l l 1 e v e lm o d u l e sw e r ef i n i s h e di nt h et h e s i s a c c o r d i n gt o t h e t o p d o w nh i g h l e v e ld e s i g np r o c e s so f d i g i t a la s i cs y s t e m i nt h et h e s i s e v e r yl e v e lm o d u l eo ft h ed a t ap a t ha n dc o n t r o l l e ro fm c ui p c o r ew a sd e s i g n e da n dt h ee v e r yu n i t sd e s i g no fm c ui pc o r ew a s p r o g r a m m e d w i t ht h eh 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 ( v h d l ) t h ee v e r yu n i t sm o d u l eo fi p c o r ew a s p r o g r a m m e d ,d e b u g g e d ,p l a c e da n d r o u t e di ne d ae n v i r o n m e n to fi s e a n dt h e l o g i c a ls y n t h e s i sw a sd o n ew i t ht h es y n p l i f ys o f t w a r e t h ef u n c t i o n s i m u l a t i o na n dt h e g a t e l e v e l s i m u l a t i o nw e r ed o n ei nt h em o d l e s i me d a e n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ,t h ed e s c r i p t i o ns t y l ea n dt h e d e s i g ns k i l l so f v h d lw e r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s t h em c ui ps o f tc o r ee x i s t e di n s y n t h e s i z a b l ev h d ll a n g u a g ea n dt h e t w ow a y s ,n a m e l y , s o u r c ec o d ei nt h e s t a n d a r dn e t l i s td o c u m e n to fe d i f m e a n w h i l e ,w ed i ds o m eu s e f u lr e s e a r c hi nt h em e t h o d o l o g yt h r o u g hp r a c t i c i n g t h ew h o l e t o p - d o w nh i g h l e v e ld e s i g np r o c e s so fl pc o r e k e y w o r d s :i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yc o r e ,s y s t e m o n a c h i p , m i c r o 。c o n t r o l l e r ,s o f ti p c o r e ,h i g hl e v e ld e s i g n i i 第一章绪论 随着信息产业的飞速发展,以软硬件协同设计( s o f t w a r e h a r d w a r e c o d e s i g n ) 、i p 核复用( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r er e u s e ) 和超深亚微米技术 ( v e r yd e e ps u b m ) 为支撑的s o c ( 系统级芯片s y s t e m o n a - c h i p ) 成为集 成电路发展的主流。基于i p 核复用技术的设计方法能大大提高s o c 开发效 率,降低设计成本,从而逐渐成为一种主流设计方法。开发具有自主知识产 权的i p 核不仅具有广泛的应用前景而且对提高我国集成电路设计水平具有 重要意义。 本文以s o c 关键技术之一嵌入式i p 核设计技术为研究的出发点, 以八位嵌入式微控制器i p 核的设计为目标,对i p 核的设计技术进行了实践、 研究。 1 1 研究的背景和意义 随着超大规模集成电路技术的发展,芯片规模己从万门集成发展到现在 的百万门、千万门集成;设计周期从以前1 8 个月缩短到目前的6 个月甚至更 短,因此i c 设计的复杂性大大上升,设计的任务更艰巨。同时i c 制造的特 征尺寸已达到0 1 i t m ,芯片集成度已至吉规模( g s i ,1 0 9 ) ,可以将整个系统集 成到一个芯片,因此今天的i c 正在向s o c 的方向转变。另外,i c 的更新换 代加快,设计升级的周期缩短,以前的单元库远远不能满足复杂电路对设计 的要求,i c 的设计开发己成为集成芯片市场扩大的“瓶颈”。在这种i c 的几 何尺寸变得越来越小、集成密度越来越高、集成的功能越来越强、开发周期 越来越短的情况下,开发可重复利用的基本电路功能模块的方法,即i p 应运 而生。简单地说,i p 是指在电子设计中预先开发的用于s o c 设计的可复用 功能模块,系统设计者进行一个复杂设计的过程很像以前构造一块p c b 样,从市场上采购i p 功能模块,然后在一个芯片上有效集成,从而构成一个 功能强大的系统,即s o c 。 1 1 , 1 7 1 1 1 国内外i p 的发展状况 世界半导体市场增长最显著的领域是i p 。在国外,目前自主开发和经营 i p 核的公司主要有英国的a r m 、a m p h i o n 、美国的d e s o c 、r a m b u s 等。以 西北工业大学硕士论文 第1 章绪论 a r m 公司为例,在1 9 8 5 年a r m 公司设计开发出第一块拥有自主知识产权 的r i s c 处理器i p 模块,1 9 9 0 年首次将其i p 专利权转让给a p p l e 公司。到 2 0 0 2 年全球已有i b m 、t i 、p h i l i p s 、n e c 、s o n y 等几十家公司采用其i p 核 开发自己的产品。有关i p 核设计的报道首次出现在1 9 9 7 年召开的c i c c ( 专 用i c 国际年会) 年会的“单元建库”论文分册上。1 9 9 8 年在美国加州的硅 谷召开国际年会“半导体战略论坛”上,以i p 产业的现状和发展为大会专题, 共有4 8 个全球最著名的微电子公司的主要负责人作了大会发言。同年,“半 导体战略论坛9 8 ”组织了i p 专题国际研讨会。在1 9 9 9 年“a s i cs t a t u s 9 9 ” 的国际年会上论文总量的三分之一是围绕i p 核的设计开发的文章。这些关于 i p 设计的国际年会从另一个角度展示了i p 产业迅猛的发展势头。 目前国内总体来说在i p 模块的设计开发和应用方面做的还很不够。由合 肥工业大学微电子设计研究所承担的国家“九五”关于i p 模块设计的重点科 技攻关项目两项子专题,已通过技术鉴定和专题验收。专家们认为,这两项 研究成果处国内先进水平。科技部于2 0 0 0 年启动了“十五”国家8 6 3 计划超 大规模集成电路s o c 专项工作,希望通过这一努力,初步建成具有自主知识 产权、品种较为齐全和管理科学的国家级i p 核库;掌握国际先进水平的s o c 软硬件协同设计、i p 核复用和超深亚微米集成电路设计的关键技术。由摩托 罗拉向中国释放m c o r e 而触发的产业界s o c i p 讨论实质上是我国i p 产业 的启动。我国i p 产业正在从概念阶段向实用阶段过渡。 1 7 , 3 9 1 1 2 研究设计i p 的意义 目前我国i c 行业与国际水平相差2 5 代,如果没有自己强大的i c 产业, 我国失去的不仅仅是争夺未来庞大信息产业市场的主动权,而且将危及经济、 政治、信息和国防安全。i c 设计业的最新一轮分工为我国集成电路设计行业 提供了一个适合我国国情的切入点,i p 产业的建立必将从国内和国际两个方 面拉动我国i c 设计业。从国内看,在我国设计环境困难、复合设计人才较少 及资金紧缺的情况下,要完成复杂系统的可能性很小。而基于i p 库的s o c 设计方法的建立则把“系统集成”与“功能模块设计”分开,分散了设计难 度和规模,能充分发挥各个设计人员的优点。根据国际上的经验,只要i p 设 计模块阵容整齐,设计自主知识产权的高端芯片产品将成为可能。从国际看, 基于i p 模块的s o c 设计为我国中、小微电子企业跟踪赶上世界技术提供了 一个设计捷径。因此,若以微电子设计领域为高科技突破1 :3 ,以功能块i p 或 堑! ! 三些查兰堡圭丝塞 堑! 茎堑丝 i p 库产业为具体切入点,加大投入,发展我国独立自主产权的s o c 解决方 案,那么我国集成电路产业将在2 l 世纪迎头赶上世界一流技术。4 , 1 1 2s o c 与i p 技术 1 2 1s o c 技术 随着深亚微米制造技术、设计技术的迅速发展,集成电路已进入片上系 统s o c 时代。s o c 能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和 i o 等功能,将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、m p u 、 m c u 、d s p 等集成在一块芯片上实现一个系统功能。典型的s o c 系统如图 l 一1 所示。 图1 1 由i p 核构成的系统芯片s o c 目前市场上的s o c 芯片主要有三种类型,一是以微处理器为核心,外围 集成各种存储器、控制电路、输入输出、a d 、d a 等功能于一个芯片上; 二是以数字信号处理器( d s p ) 为核心,多个a d 、d a ,大容量存储器等集成; 三是上述两种类型的混合,或者把系统算法和芯片结构有机地集成在一起。 从技术层面看,系统级芯片技术是甚大规模集成电路( u l s i ) 发展的必然 趋势和主流,它以超深亚微米工艺和i p 核复用技术为支撑。其中i p 核的设 计和制造是s o c 技术中最为关键的部分。在s o c 的设计过程中,涉及到的 关键技术有设计描述、软硬件协同设计、i p 集成复用、异构子系统集成、深 亚微米设计、高性能与低功耗设计、可测性设计、设计验证等。 s o c 技术的出现表明微电子正由电路集成向系统集成发展。系统集成不 仅仅是很多电路的简单的二次集成,而是在设计时就从系统功能和性能出发, 结合芯片结构,软件硬件协同设计,在更高层次上发展芯片技术,实现算法 与芯片的相结合,引入新的系统结构,给信息处理系统带来革命 1 7 , 1 9 3 0 1 2 2i p 技术 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 原意指知识产权,在i c 设计领域则是指预先 设计好的实现某种功能的设计。i p 核( i p 模块) 则是指完成某种功能的虚拟 电路模块,也称之为虚拟部件。最早的i p 核开发是为了提高设计效率、减少 设计风险,将设计成熟、经工艺验证并已优化的设计模块建库,提供给相同 功能电路设计使用。随着集成电路的发展和s o c 复杂性的提高,给i p 核的 开发带来巨大的商业机遇,i p 核已成为一种商品,i p 技术越来越成为i c 业 界广泛关注的焦点。 i p 核的种类很多,例如d s p 、存储器、总线和接口电路、r f 电路、模 拟电路、数字模拟混合电路等。通常把i p 核分为硬i p ( 硬核h a r dc o r e ) 、软 i p ( 软核s o f t c o r e ) 和固i p ( 固核f i r m c o r e ) 。 硬核是针对某个特定工艺的一套物理版图,电路布局布线和工艺是确定 的,已经过样品电路的验证。硬核的优点是它的高速度和安全性,但由于依 赖特定的工艺,所以缺少灵活性。 软核用硬件描述语言( v e r i l o gh d l 或v h d l ) 的形式描述功能块的行 为,但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为。与硬核相比,软核 的设计周期短,设计投入少,由于不涉及物理实现,用户能把h d l 表达的 软核修改为自己需要的设计,综合到选定的厂商工艺上,增大了i p 核的灵活 性和适应性。但是这种灵活性的代价是:无法获得目标电路的性能和面积的 保证。在目前的综合工具的水平下,可综合软核在部分行为级和寄存器传输 级r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e rl e v e l ) 完成描述。 , 固核是一种介于软核和硬核之间的i p 核,通常以r t l 代码和对应具体 工艺网表的混合形式提供。固核是完成了综合的功能块,有较大的设计深度, 以网表的形式提交客户使用。固核允许用户重新确定关键性能参数,如果客 户与固核使用同一个生产线的单元库,i p 核的成功率会比较高。 1 1 , 1 4 , 3 0 三种i p 核各有优缺点,具体设计什么样的i p 核,要根据i p 核应用的范 围和实现的功能等方面来决定。从国外的i p 核设计和使用情况看,i p 核在 a s i c 和现场可编程门阵列( f p g a ) 中使用较多。f p g a 中使用的是规模不 大的核设计,如:a l t e r a 的6 5 0 2 八位微处理器和x i l i n x 的p c i 核。a l t e r a 最 近发布了系统可编程门阵列( s p g a ) ,它把f p g a 和用户a s i c 模块结合起 来。1 1 9 1 4 西北工业大学硕士论文第1 章绪论 因此,本文设计研究的八位嵌入式微控制器i p 核定位为面向f p g a 应用 的基于i p 复用技术的s o c 设计。 1 2 3 基于i p 复用技术的s o c 设计 功能模块化的系统芯片具有易于增加新功能和缩短上市时间的显著特 点;利用i p 复用技术的设计形式,可将不同公司的特长集中到同一产品的设 计与制造中。因此,基于i p 复用技术的s o c 设计方法采用了i p 模块而不是 基本逻辑或电路单元作为基础单元,以功能组装代替功能设计,提高了设计 者的设计能力,能够较快地完成设计,缓解设计能力与i c 制造的矛盾,降低 产品开发的成本,是i c 设计业当前、乃至可预见未来的主流设计方式。美国 d a t a q u e s t 公司的首席分析师j i m t u l l y 指出,设计重用的关键部分以 及结束“设计间距”唯一有效的方 法是基于i p 复用技术的设计重用 方法,如果没有它,半导体生产商 和o e m 供应商根本无法达到今天 已经达到的水平。图l 一2 给出了基 于i p 复用技术的s o c 设计的i c 产 业剪刀差的跨越示意图。7 1 i p 计复用 图1 2i c 产业剪刀差的跨越示意图 1 3 论文的主要内容 本论文在分析了i n t e lm c s - - 8 0 5 1 的体系结构和指令集的基础上,采用 自顶向下的数字系统高层次综合正向设计流程,借鉴其他研究者的成功经验, 完成了与i n t e lm c s - - 8 0 5 1 指令集兼容的8 位微控制器i p 核设计。 论文主要内容如下: + 微控制器i p 核系统功能分析,结构规划与划分,也即确定i p 核的总 体结构,划分与定义i p 核各个层次模块的结构和功能。这项工作主要 是通过分析、研究i n t e lm c s - - 8 0 5 1 的硬件结构及所有指令工作过程, 在深入理解m c u 的工作原理和设计方法基础上,完成了微控制器核 的总体结构和其各个层次模块功能的划分与定义。 设计* 忡宰 设计规攥 西北工业大学硕士论文第1 章绪论 + 使用硬件描述语言v h d l ,实现m c ui p 核各部分的设计,包括数据 通道模块和控制器模块。 + 基于多种e d a 工具完成了m c ui p 核的设计、综合及仿真验证。模块 的编程、调试在x i l i n x 公司的i s e 集成开发环境中完成;逻辑综合使 用s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y 综合工具;仿真验证使用m e n t o r 的子公 司m o d e lt e c h 的m o d l e s i m 仿真工具。 + 总结自己在设计中的经验教训,对l p 核设计中v h d l 语言的设计风 格和设计技巧进行了总结;并给出了m c ui p 核的扩展应用示例。 + 数字系统高层次设计方法的研究与实践。正向设计、高层次设计是当 今集成电路设计的主流及发展方向。本文对正向设计、高层次设计的 流程和方法学进行了一定的研究与实践。 矍! ! 三些查兰堡圭丝奎丝:塞兰兰童鎏皇竺! 坚堡堡量丝丝丝 第二章设计方法与m c ui p 核总体结构 2 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 ed e s c r i p t i o n l 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,如图2 1 。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、电路级等。 系统级 图2 1数字系统层次设计与描述范畴 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 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,设计者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。f 2 2 】 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以及自顶向下的设计方法。 2 1 1 高层次综合、模拟及测试设计技术 a ) 高层次综合技术 高层次综合技术是高层次设计技术中的关键。综合,实际上就是个从 高层次到低层次、从行为域到结构域的设计转换过程,其中还包括必要的优 西北工业大学硕士论文第2 章设计方法与m c u i p 核总体结构 化。由于数字系统的描述分为不同的层次,其相应的综合分为三个层次:高 层次综合、逻辑综合以及版图综合。逻辑综合和版图综合相对而言比较成熟, 而高层次综合则正在逐步走向成熟和实用。 所谓高层次综合是指从算法级的行为描述到实现它的寄存器传输级结构 描述的转换。其重要任务是从多种给定行为功能的硬件结构中找出一种既满 足约束条件和目标集合,又花费最少的硬件结构。高层次综合在行为功能描 述与其硬件结构实现之间架起一座桥梁,自动生成可以逻辑综合的电路描述。 高层次综合优化中要同时考虑电路结构、存储结构、互连结构以及时序的设 计等诸多因素。 通常高层次综合经过编译、转换、调度、分配、控制器综合、结果生成 与反编译等一系列处理步骤,将设计的行为表示转换为r t l 的结构表示,而 r t l 的设计结构主要由功能单元、存储单元和互连单元等组成。 新一代的高层次综合系统有以下基本功能: ( 1 ) 能完成h d l 设计的转换和结构优化,通过局部和少量的修改,就能 构造出多种方案,能快速进行比较和选择,使其在总体结构上获得最优方案: ( 2 ) 主要的优化功能应包括资源共享、优质元件的选择、元件参数化、 时间驱动的计算优化等; ( 3 ) 能支持层次化的设计和行为、r t l 和结构编码等的混合类型设计; ( 4 ) 能由行为综合转换成r t l 级综合,直至门级实现,以验证功能、评 估性能,完成不同结构的取舍等,使系统的评估和系统的设计能合成一起; ( 5 ) 能使行为级的描述,通过综合优化,按所使用的a s i c 库,快速生成 参考电路,计算出性能、面积、功耗等,以便进行比较取舍,以决定最终的 设计。 b ) 高层次模拟技术 在高层次设计中,高层次模拟是十分重要的一环,其目的是验证设计的 功能正确性,即能在设计中尽早地发现错误。一个性能优良的高层次模拟系 统应当是能在一个独立的模拟环境中,建立三种模拟技术:先进的解释型模 拟,高速的编译型模拟以及快速精确的门级模拟。这三种模拟技术与相应层 次的综合工具紧密地集成在一起,支持整个设计流程,并能达到模拟的高精 度和高速度,支持从行为级到门级的各个层次和描述语言的系统模拟。 在高层次模拟中,一般的过程为验证设计的高层次抽象描述、分析评估 西北工业人学硕士论文第2 章设计方法与m c u i p 核总体结构 系统的设计思想、选择最佳的体系结构、划分系统和细化、验证可综合性和 功能的正确性、精确的门级模拟,具体是以三个阶段进行划分和实现。 第1 阶段行为描述的设计细化实现阶段,使用解释型模拟方式,该模 拟器的主要功能为检查并迅速修正设计的设计思想;评估和探寻各种不同的 设计方案,进行比较并选择最佳的系统结构方案:调整行为描述源码和规则 的检查;灵活直观的设计信息和结果显示及统计的功能:设计改变后快速返 回功能等。 第2 阶段在概念设计验证之后,进入以r t l 描述的设计细化实现阶段, 该阶段使用编译型模拟方式,这种方式以最终验证一个完整电路系统的全部 功能为目的,采用详细的功能齐全的输入激励波形,用尽可能多的模拟周期 进行模拟;在进入综合前要进行设计描述的可综合性检查和可测试性检查; 提高模拟仿真的速度,以便进行大量的模拟,是这一阶段模拟的关键之一。 第3 阶段在设计的最后,实现门级电路阶段,使用门级模拟进行验证 以确保最终设计的逻辑正确性和精确的时问正确性。这一阶段,模拟的速度 和精度是关键性的因素。 在三个阶段的模拟中,前两者因设计是以h d l 语言进行描述的,因此 有时也称为h d l 模拟系统,即高层次模拟系统,其模拟的基本思想与第3 阶段的逻辑模拟的思想类似,仅是模拟驱动,是以进程为单位,而其关键是 如何解决好复杂功能器件的建模和如何提高模拟的速度。 c ) 测试设计技术 随着设计层次的提高,使得设计人员面对的电路规模越来越大,功能越 来越复杂,相应电路的测试也变得越来越困难。因而,在高层次设计中,测 试设计综合也日益受到重视,成为高层次设计中的一个重要组成部分。随着 逻辑综合技术的成熟,测试综合也相应得到发展。 所谓测试设计综合,就是在设计过程中,根据电路的特点。自动地插入 测试结构,然后对电路进行综合优化,产生电路实现,从而极大地提高电路 的可测试性。在设计过程中,同时考虑测试的设计问题,可以使综合、模拟、 测试能被综合地考虑,统一地实施,这就有效地缩短整个设计的开发时间。 通常测试设计应包括可测性的分析检查、故障覆盖率情况的分析、全扫 描或部分扫描电路的插入,以及能在相应的测试部分进行时间驱动优化,从 而在设计过程中能尽快地提高可测性,且对所设计的电路性能和区域( 面积) 两北工业大学硕士论文 第2 章设计方法与m c ui p 核总体结构 影响最小。同时,把可测性的设计与a t p g 相结合,就能对全扫描或部分扫 描设计预测其故障覆盖的结果。因此,一个较好的测试设计综合系统其功能 般应包括: f 1 1 应完全地与高层次设计环境集成在一起,方便地综合考虑设计的综 合、模拟及测试,从而提高设计的整体效果; ( 2 ) 能支持按设计规范要求或自动地完成完全扫描、部分扫描,以及边 界扫描的设计插入: ( 3 ) 应具有可测试性规则的检查、分析和反馈的功能,并能与a t p g 结 合,保证足够高的故障覆盖率,且与测试设备具有好的接口协议; ( 4 1 在界面上,能亮化显示原理图的扫描通路、违章规则等。以便于检 查和修改; ( 5 ) 具有优化设计的性能、面积、可测性,使设计代价最小的功能。 2 2 , 3 3 】 2 1 2 自顶向下设计方法及设计流程 所谓自顶向下的设计方法,就是设计者首先从整体上规划整个系统的功 能和性能,然后对系统进行划分,分解为规模较小、功能较简单的局部模块, 并确立它们之间的相互关系,这种划分过程可以不断地进行下去,直到划分 得到的单元可以映射到物理实现。因而它是面向系统的设计技术,使设计师 可以将更多的精力和时间花费在从高层次上对系统进行功能定义和设计。 自顶向下的设计方法是随着硬件描述语言和e d a 工具同步发展起来的。 硬件描述语言可以在各个抽象层次上对电子系统进行描述,而且借助于e d a 设计工具,可以自动实现从高层次到低层次的转换,这使得自顶向下的设计 过程得以实现。采用自顶向下的优点是:由于整个设计是从系统顶层开始的, 结合模拟手段,可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况,结合应用领域 的具体要求,在此时就调整设计方案,进行性能优化或折衷取舍;随着设计 层次向下进行,系统性能参数将得到进一步的细化和确认,并随时可以根据 需要加以调整,从而保证了设计的正确性,缩短了设计周期,设计规模越大, 这种设计方法的优势越明显。缺点是:需要先进的e d a 设计工具和精确的 工艺库的支持。 自顶向下设计流程可分为三个大的阶段,如图2 2 所示。各个阶段之间 并没有绝对的界限。 ( 一) 系统设计 西北丁= 业大学硕士论文 第2 章设计方法与m c ui p 核总体结构 系统设计阶段最为重要,它包括系统功能分析、体系结构设计、系统描 述与功能仿真四个步骤。 ( 1 ) 系统功能分析 系统功能分析的一个目的是在系统设计之前搞清楚系统的需求。要确定 系统所要完成的功能、系统的输入输出、输入输出之间的关系以及系统的时 序要求。另外一个目的就是系统的模块划分。在系统分析时,应根据功能的 耦合程度,将系统划分为不同的功能模块,每一个功能都映射到一个模块, 同时还需要确定模块之间的相互关系,这是模块化设计的基本需要。 ;一 趸滓 i 爹妇 飘i 篓 雯妇 i 口如 段幕否 谊计元陬 图2 2自项向下技术设计流程 ( 2 ) 体系结构设计 体系结构设计是整个设计的关键之关键,以后的所有工作,都是依赖于 所设计的体系结构来进行的。 体系结构设计的首要任务就是数据通路的设计。在数字系统的设计中, 系统的控制是建立在数据通路的基础之上,不同的数据通路对应了不同的控 制通路。数据通路的设计包括处理数据类型分析、处理单元的划分以及处理 单元之间的关联程度等。控制通路是数据通路上数据传输的控制单元,用于 协调数据处理单元之间的关系。控制通路的设计主要包括数据的调度、数据 西北工业大学硕士论文 第2 章设计方法与m c u i p 核总体结构 的处理算法和正确的时序安排等。数据通路与控制通路的设计,并不是截然 分开的,有时在确定好数据通路后,由于时序或数据的调度等问题,而不得 不重新修改数据通路。所以,数据通路与控制通路的设计,往往要经过许多 次反复,才能达到最优的效果。 ( 3 ) 系统描述 v h d l 支持不同的描述方法,但对于系统的描述,仍需注意以下几点: a ) 采用t o p d o w n 的结构化设计方法。这样设计的结构与层次都非 常清晰,易于修改与调试。 b )注意设计源码的风格对电路的影响。同样的功能用不同的描述,可 以产生不同的结果。在描述电路时,应认真考虑电路的描述方法。 e ) 虽然高层次设计提倡设计与工艺无关性,但是在有些设计中,由于 特定结构的要求,有些描述可能无法实现,致使在综合中产生不必 要的错误。 d ) 在描述时,要分清哪些是用来综合的程序,哪些是仅仅是用来仿真 的程序。 ( 4 ) 系统功能仿真 系统的功能仿真是验证功能正确性的重要手段,几乎所有的高层设计软 件都支持语言级的系统仿真。 在语言级系统仿真时,要求设计者使用v h d l 语言所提供的丰富的仿真 语句来编写系统的测试基准程序( t e s tb e n c hm a r k ) 。测试基准程序在高层次 设计中占有非常重要的地位,不仅在系统功能仿真时被用来作为功能验证的 基准,而且在门级仿真与时序仿真都要以此为基准。测试基准程序用于模拟 系统的工作环境。在该程序中,产生系统工作所需的所有输入信号,同时对 系统产生的输出信号进行判别,给出正确和错误信息。 ( 二) 综合优化 该阶段主要的工作是系统的综合优化与门级( g a t el e v e l ) 仿真。 ( 1 ) 系统的综合优化 系统的综合优化分为两个步骤:第一步是将语言翻译成门电路,第二步 是门级优化。系统优化的目的就是花费最小的硬件资源满足最大的时序要求, 所以,系统优化就是在系统的速度( s p e e d ) 和面积( a r e a ) 之间找到一个最 佳方案。系统优化的关键在于系统约束条件( c o n s t r a i n t s ) 的设定,系统的 西北工业大学硕士论文 第2 章设计方法与m c u l p 核总体结构 约束条件将使系统的优化按照设计者所期望的目标进行。 ( 2 ) 门级仿真 现在一般的高层综合工具,都能够提取出系统的门级描述v h d l 语言文 件,该文件内不仅包含了完成系统功能所需的元件,而且也包含了电路的一 些时序信息。将该程序与前面所提到的测试基准程序连接到一起,就可以进 行门级的时序仿真。如果对仿真的结果不满意,就必须修改综合优化条件或 修改系统结构等。 ( 三) 系统实现 在一般的a s i c 设计中,系统实现的工作一般是设计者将综合后的网表 ( n e t l i s t ) 和设计的时序要求,交给i c 生产厂家来进行。系统实现的工作主 要是布局布线( p l a c ea n dr o u t e ) 。布线时所遇到的最大的问题是布通率,一 般情况下在布局布线时要加入一定的人工干预,像改变引脚的位置、特殊功 能块的安排等。在完成布局布线后,要进行系统的后仿真( p o s ts i m u l a t i o n ) 。 这是整个设计的最后一道保障,主要对系统的速度、时序关系做最后的验证。 【3 ,9 ,il ,2 2 ,3 3 自顶向下设计技术是各方面知识的综合。设计者必须站在系统的高度来 看待一个设计,同时还要对电路设计、e d a 工具、微电子等相关知识有一定 掌握,才可能谈得上进行自顶向下设计。系统仿真及综合只是系统实现的手 段,要成功地完成一个复杂系统的设计,不仅要熟练掌握先进高层次设计工 具的使用,更重要的是对系统本身的正确理解与设计。 2 1 3 硬件描述语言 所谓硬件描述语言,就是利用该语言可以描述硬件电路的功能,信号连 接关系及定时关系。与电路原理图相比h d l 能更有效的表示硬件电路的特 性,非常适合于自顶向下的设计方法。目前已经存在许多硬件描述语言,但 只有v h d l 和v e r i l o g 成为i e e e 工业标准,并已被i c 生产厂家和e d a 工 具供应商所接受。当前几乎所有的e d a 软件,像s y n o p s y s 、m e n t o r g r a p h i c s 、c o m p a s s 、c a d a n c e 等,均支持该标准。我们在m c ui p 核 设计中采用了v h d l 作为设计描述语言。 a ) v h d l 语言的特点 v h d l 语言是对逻辑电路进行描述的高级语言,它与其它高级语言相比 既有相同之处,也有其自身特点: 塑! ! 三兰奎兰竺当兰兰 篁! 兰兰至童鎏量竺些堡垒垒堡堑塑: f l 、v h d l 是工业标准的文本格式语言。设计者在设计电路时,用文字来 表达所要设计的电路,这样能比较直观地表达了设计者的设计思想,且容易 修改。 f 2 1v h d l 能同时支持仿真和综合。v h d l 是一种能够支持系统仿真的语 言。事实上,a s i c 成功的关键在于生产前的设计,保证设计正确性的主要 手段就是系统仿真。大部分的e d a 工具都有支持v h d l 语言级仿真的工具。 设计者在a s i c 生产前就能够知道设计的正确与否、系统的性能如何等。 v h d l 中并不是所有的语句都是可综合的,但其中的可综合语句足以描述一 个大而完整的系统。 f 3 ) v h d l 是一种并发执行的语言。 f 4 ) v h d l 是一种结构化的语言,支持结构化设计和t o p d o w n 设计方 法。 ( 5 ) 支持多风格的描述方法。v h d l 不仅支持行为级的描述,而且支持数 据流及结构描述。 b ) v h d l 语言的描述方法 在e d a 领域经常将电路设计分为行为级( b e h a v i o r a ll e v e l ) 和寄存器传 输级( r t l ,r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 两个层次。r t l 的概念是指将逻辑电路 简单地看作是由寄存器以及寄存器之间的组合逻辑所构成,数据的流动是从 一个寄存器传送到与之有关的寄存器中。在使用v h d l 描述具体电路时,允 许设计者使用不同的描述方法。具体地可以归纳为以下几种: ( 1 ) 行为级描述 所谓行为级描述实质上就是对整个系统的数学模型的描述,即信号的变 化、以及在这种变化下数据的运算和数据的传递过程。 一般来说,对系统进行行为描述的目的是:设计者在系统设计的初始阶 段,通过对系统行为描述的仿真来发现系统设计中存在的问题。在行为描述 阶段,并不真正考虑其实际的算法和操作是用何种方法来实现的,而更多考 虑的是系统结构及其工作过程是否能达到系统设计的要求。 行为级描述的特点是:信号被分为控制信号和被控制信号,当控制信号 发生某一行为变化时,被控信号也随之变化。在仅知道控制信号与被控信号 之间的控制关系,而不知道具体结构时,一般采用这种描述方法。 ( 2 ) 数据流( d a t af l o w ) 描述 西北工业火学硕士论文 第2 章 设计方法与m c ui p 核总体结构 数据流描述是指对数据传递的直接描述。在对信号与数据之间的逻辑关 系与结构非常熟悉情况下,一般可以采用数据流描述方法。 ( 3 ) 结构描述 结构描述用于描述元件之间的连接关系,类似于画逻辑图,用信号将各 个元件连接起来。结构描述方法一般用在主模块与子模块的调用上。所以, 这种描述方法支持层次化( h i e r a r c h y ) 的设计。 一般情况下,这三种描述方法在一个设计中都要用到,根据不同的情况 选用不同的描述方法,会使设计更合理、更清晰。随着v h d l 语言和e d a 工具自身的不断完善,算法描述、结构描述和实现技术三者之间的界限将越 来越模糊,相互描述的重叠范围也将进一步增大。 2 , 7 , 2 4 j c 1 采用v h d l 进行设计的优点 ( 1 ) 与其他的硬件描述语言相比,v h d l 具有更强的行为描述能力,从 而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是 避开具体的器件结构,从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的中要保证; ( 2 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计,可以利用e d a 工具进行逻辑 综合与优化,并自动的把v h d l 描述设计转变成门级网表; ( 3 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性,设计者可以不懂硬件的结构, 也不必关心最终设计实现的目标器件是什么,而进行独立设计。【4 们 总之,v h d l 描述能力强,覆盖面广,抽象能力强,非常适合硬件模型 的建模。 2 1 4 采用高层次设计技术的优点 h d l 语言、高层次综合技术、高层次模拟技术、测试设计综合技术以及 自顶向下的设计方法,构成了整个高层次设计的内容,每部分相互之间既有 分工,又密切相关,互为配合,共同完成整个大规模复杂数字系统的设计工 作。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,并实现了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。 塑! ! 三些查兰堡篁圣 篓! 塞坠竺查鎏耋翌星坚! ! 堡垒竺竺丝 ( 2 1 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,这就相应地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,可寻求最优或满意的设计 方案,可快速评估多种结构问的性能价格比。 ( 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 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 在高层次设计中,用户一般以h d l 语言描述作为设
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