（计算机应用技术专业论文）布尔过程论在延迟分析和波形模拟中的应用研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 伴随着v l s i 技术的不断发展，芯片设计的日益复杂化和高速化也推动着 设计自动化理论和算法的演变和改进。硬件描述语言作为一种用形式化的方法 来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言，其语法和语义在不断丰富和优 化。而近年来提出的布尔过程理论，更为我们对旧有算法和模型的完善和改进 提供了新的理论依据。 布尔过程论把电路的逻辑属性和延迟属性有机地结合起来，并以波形形式 表示连续时间上的电路状态，能更加准确的进行定时分析，是一种用数学公式 表示电路的解析方法。本论文在布尔过程理论基础上，讨论延迟分析和波形模 拟方面的新方法。 首先，对模拟过程中的一些关键问题和预处理算法进行了处理，包括布尔 过程中使用的各种门级延迟模型、组合逻辑层次关系的编排级数法、最小时钟 周期的确定算法、基于周期的同步时序电路模拟算法以及竞争冒险的检测处理 方法等。 在波形模拟方面，本文用硬件描述语言v e r i l o gh d l 和v h d l 摧i 述布尔过程 论的波形表示方法。 在进行延迟分析时，本文改进了一种基于延迟矩阵的层次化延迟分析方 法。首先在布尔过程解析延迟模型的基础上定义了基于敏化的延迟矩阵，用以 描述电路模块的延迟；接着对电路进行层次划分，通过对各层模块延迟矩阵的 扩展迭加运算，可以方便地计算出整个复杂电路的延迟。 为了验证本文方法的正确性和有效性，文中对组合电路和时序电路两个实 例进行了波形模拟，并对实验结果进行分析。实验表明这种方法既能维持电路 计算的正确性、提高模拟精度，又能大大降低计算复杂度。 关键词：布尔过程；通路敏化：延迟矩阵；层次化延迟；波形模拟 哈尔滨t 程大学硕十学传论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g y , t h ed e s i g no fc o m p l e xa n d m g h - s p e e dc h i p si m p u l s e s t h ee v o l v e m e n ta n d i m p r o v e m e n to ft h e o r i e s a n d a l g o r i t h m si nd e s i g na u t o m a t i o n a sal a n g u a g ew h i c hd e s c r i b e sd i i g i t a lc i r c u i ta n d d e s i g n sd i g i t a ll o g i cs y s t e mi n f o r m a l i z e dw a y , h d lh a sb e e ne n r i c h i n ga n d o p t i m i z i n gi t ss y n t a xa n ds e m a n t e m e a d d i t i o n a l l y , b o o l e a np r o c e s s ，p r o p o s e d r e c e n t l y , p r o v i d e su sw i t hn e wt h e o r yf o u n d a t i o nt oc o n s u m m a t ea n di m p r o v et h eo l d a l g o r i t h m sa n dm o d e l s t h et h e o r yo fb o o l e a np r o c e s si sa na n a l y t i c a la p p r o a c ht or e p r e s e n tc i r c u i tw i t h m a t h e m a t i c a lf o r m u l a , w h i c hc o m b i n e sl o g i cf u n c t i o nw i t hd e l a y p r o p e r t i e so f d i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t st oe x p r e s sc i r c u i ts t a t e si nc o n t i n u o u st i m en o d e sb y w a v e f o r mf o rt h eh e l po fe x a c tt i m i n ga n a l y s i s t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ld i s c u s sn e w m e t h o d si n d e l a ya n a l y s i s a n dl o g i c a lw a v e f o r ms i m u l a t i o nb a s e do nb o o l e a n p r o c e s s f i r s t l y , s e v e r a lc r u c i a lp r o b l e m sa n dp r e t r e a t m e n ta l g o r i t h m si nt h es i m u l a t i o n p r o c e s sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l ，c o n t a i n i n gt h eg a t e - l e v e ld e l a ym o d e l su s e di n b o o l e a np r o c e s s ，t h es o r ta r i t h m e t i cs o l v i n gp a r t i t i o no fc o m b i n a t i o nl o g i c , a l g o r i t h m c o n f i r m i n gt h em i n i m u mc l o c kc i r c l e ，t h ec y c l e - b a s e dm e t h o df o rs y n c h r o n o u s s e q u e n t i a lc i r c u i t s ，c h e c ka n dm a n a g e m e n to fc o m p e t i t i o na n dn a r r o wp a s s ，e t c f o rl o g i cw a v e f o r ms i m u l a t i o n s ，aw a v e f o r mp r e s e n t a t i o nm e t h o db a s e do n b o o l e a np r o c e s si sd e s c r i b e db yh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gh d la n d v h d l d u r i n gd e l a ya n a l y s i s ，am e t h o do fd e l a ym a t r i xb a s e dh i e r a r c h i c a ld e l a y a n a l y s i si si m p r o v e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , s t u d i e so na na n a l y t i c a ld e l a ym o d e lb a s e d o nb o o l e a np r o c e s sa r em a d e b a s e do nt h i sc o n c e p t ，s e n s i t i z a t i o nd e f i n e dd e l a y m a t r i xi sp r o p o s e dt od e s c r i b et h ed e l a yo fc i r c u i tm o d u l e s s e c o n d l y , c i r c u i t sa r e c o m p a r t e dh i e r a r c h i c a l l y f i n a l y , a f t e ro p e r a t i o n so fe x p a n d m e n ta n ds u p e r p o s i t i o n a r em a d eo nd e l a ym a t r i xo fe v e r ym o d u l e ，d e l a yo ft h ew h o l ec o m p l e xc i u c u i ti s 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 c o m p u t e dc o n v e n i e n t l y , an o v e l e x a c th i e r a r c h i c a l d e l a ya n a l y s i s m e t h o di s p r e s e n t e d t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h i s m e t h o d , e x a m p l e so f a c o m b i n a t i o n a lc i r c u i ta n das e q u e n t i a lc i r c u i ta r es i m u l a t e dw i t ha n a l y s i so ft h e r e s u l t s 1 r h ef a c t t h a tt h ea p p r o a c hc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o m p u t a t i o nt i m eo n c o m p l e xp r o b l e m sw i t hg o o de x a c t n e s sa n dh i i g hp r e c i s i o ni sp r o v e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：b o o l e a np r o c e s s ；p a t hs e n s i t i z a t i o n ；d e l a ym a t r i x ；h i e r a r c h i c a ld e l a y ； w a v e f o r i l ls i m u l a l i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：沥移x 年 召丽 f 月 ir 日 哈尔滨下稗人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 当前国际微电子技术的迅猛发展，在i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业中，i c 设 计是有可能首先取得成功的行业，这一点在国内已取得共识。随着i c 设计技 术的发展与数字通信、工业自动化控制等领域所用的数字电路及系统的复杂度 的提高，迫切需要掌握新的设计方法以减少复杂劳动，提高工作效率。 几十年来，i c 技术经历了小规模、中规模、大规模、v l s i ( v e r yl a r g es c a l e i c ) 、u l s i ( u l t r al a r g es c a l ei c ) 阶段，到了目前的g s i ( g i g a s c a l ei c ) 阶段。 一个芯片上集成的晶体管数目已高达数十亿的数量级。随着人们将越来越复杂 的系统都集成到一个芯片上，l c 已经由a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 时代发 展到s o c ( s y s t e m o nac h i p ) 时代。s o c 就是所谓的单片系统、片上系统或系 统芯片，它将一个芯片上集成了一个完整的电子系统。同时，l c 特征尺寸不断 减小，生产工艺发展到v d s m ( v e r yd e e ps u b m i c r o m e t e r , 超深亚微米) 的阶 段，这对i c 设计方法提出了新的挑战。 芯片设计始终朝着复杂化和高速化的方向发展，i c 设计的日趋复杂性和i c 技术的进步也促使人们在基本理论工具方面进行探索。几十年来，人们用布尔 代数成功地描述了数字电路的逻辑行为。基于布尔代数描述复杂高速芯片的设 计需要采取按联结词运算配合延迟分析，或者延迟分析驱动下的( 布尔代数) 设计方法。这种数学结构和设计模型一方面不能真实或者“相对逼真 反映高 速i c 的电路特性，另一方面，延迟分析一设计不断“迭代”使设计周期和开销 加大。i c 技术发展到目前的高复杂度和超高速阶段，这个理论和模型越来越显 露出它的先天不足。国内外一些学者已经认识到这是基础理论有缺欠。1 9 9 4 年 不约而同，我们闵应骅教授提出布尔过程的概念n ，美国l a m 和b r a y t o n 提出 时变布尔函数概念，以同样的目的处理用布尔代数无法处理的定时问题。1 9 9 6 年底，闵应骅等三位学者对布尔过程、波形函数、波形极限、波形多项式等概 念给出了明晰的定义剐。逻辑和延迟是一个对象的两种属性。布尔代数揭示了 这个对象的逻辑属性，而延迟分析描述这个对象的时变属性。作为工具，它们 哈尔滨t 稗大学硕七学何论文 均不是完整的。布尔过程论将这个对象称之为波形。布尔过程论的提出，在理 论上具有重大意义。它可以形式地处理计算机硬件和软件中的异步性。波形是 布尔过程的样本，波形函数可以用数学工具形式地加以处理，波形极限精确描 述了电路中的通路敏化，波形多项式提供了电路表示的一个解析途径。近些年， 不断有学者对这个理论进行研究和拓展，经过几年的发展，布尔过程论已初步 形成自己的理论体系，并在i c 设计中取得了许多应用成果。现已经在延迟分 析、模拟、低功耗设计和测试等等方面获得了有效的应用。 伴随着i c 设计规模的不断增大和复杂度的日益增高，在高于逻辑级的抽 象层次上，采用硬件描述语言来设计数字电路变得越来越方便。硬件描述语言 是用一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言，是硬件设 计人员和电子设计自动化工具之间的界面。让人兴奋的是，布尔过程论中波形 能够同时描述电路逻辑与时序特性这一点上，与硬件描述语言具有描述数字电 路的能力相符合。因此，在基于布尔过程理论的波形表示法的基础上，用硬件 描述语言v e r i l o gh d l 和v h d l 本身具有的描述延迟特性来实现此波形的描 述，可以实现波形输入的形象而准确的表示，为能够验证波形模拟的结果提供 了足够的依据。 在这样的背景下，深入研究布尔过程论在延迟分析和波形模拟以及和硬件 描述语言配合描述集成电路的应用上是有意义的。 1 2 数字系统设计技术 1 2 1e d a 工具的发展演变 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ，随着i c 技术的不断发展和集成度的迅 速提高，芯片的设计工作越来越复杂，需要人们在设计工具和设计方法方面不 断变革，这就促使人们探索各种各样的辅助设计工具，以实现设计自动化。e d a 的发展大致可分为以下四个阶段h 。 1 ) 计算机辅助设计技术 第一代e d a 为计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。c a d 产生 于6 0 年代末，它是以交互图形编辑和设计规则检查为特点，那时的逻辑图输 入、逻辑模拟、电路模拟于版图设计及版图验证是分别进行的，人们需要对两 2 哈尔滨j r 程大学硕十学位论文 _ll 者的结果进行多次的比较和修改才能得到正确的设计，它不能适应较大规模的 设计项目，而且设计周期长、费用高。 2 ) 计算机辅助工程设计技术 第二代e d a 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 ) 。它产生 于8 0 年代末，以3 2 位工作站为硬件平台，集逻辑图输入、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。工程师从输入逻辑图开始设计集成电路，并在工作站上完成全部的设 计工作。它不仅有设计全定制电路的版图编辑工具，还包括有门阵列、标准单 元的自动化设计工具和具有经过制造验证的、针对不同工艺的单元库。在c a e 系统中更重要的是引入了版图和电路图之间的一致性检查工具和“后模拟 ， 保证了设计的一次成功率，但是一致性检查和“后模拟”仍是在设计的最后阶 段才实施的，因而一旦发现错误，还需修改版图或修改电路，仍需付出相当的 代价。 3 ) 电子设计自动化设计技术 进入9 0 年代，芯片设计的高复杂度使得单是依靠原理图输入方式已不堪 承受，采用硬件描述语言的设计方式就应运而生，设计工作从行为、功能级开 始，e d a 向设计的高层次发展，这就出现了第三代e d a 系统。在第三代e d a 中，引入了硬件描述语言，一般采用两种标准化语言，v hl 和v e r i l o gh d l 语言；此外引入了高级综合和逻辑综合工具。这一阶段最重要的特征就是高层 次综合技术，从较高的抽象层次开始，按自顶向下的方法进行设计。在设计中， 设计者无需考虑有关电路结构和实现细节，只需保证设计的功能正确，符合用 户所提出的要求，然后由e d a 厂商所提供的综合优化工具完成行为级设计向 寄存器级或门级电路的映射。此方法不仅可以加快产品开发、调试速度、缩短 设计周期，而且可以实现设计资源的共享和不同工艺库之间的转换。 4 ) 系统芯片与电子系统设计自动化设计技术 进入9 0 年代中期后，e d a 技术已趋向成熟，但由于半导体工艺技术的不 断进步，集成电路发展到大规模、超大规模水平，每片门数达到几十万到几百 万门，一个完整的电子系统可集成到一个芯片上，这就是所谓的单片系统、片 上系统或系统芯片s o c 。同时，设计技术也从深亚微米( d s m ：d e e ps u b m i c r o m e t e r ) 、超深亚微米v d s m 发展到纳米技术，这就要求更完备的设计工 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 具和更好的设计方法来代替原有的先进设计技术。 在设计工具方面，相应要求软件公司提供系统级的设计工具，也就是要将 e d a 提升到电子系统设计自动化技术( e s d a ：e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n a u t o m a t i o n ) 。人们正在尝试一种新的系统设计语言即高级语言( 如c 语言) 与h d l ( v h d l 、v e r i l o gh d l ) 混合应用来完成这一工作。在设计方法上，采 用可重用设计技术，其核心是i p ( i p ：i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 知识产权模块) ，它是 一个高性能、可参数化、可综合、可供测试的，用h d l 语言描述而成，与具 体实现工艺无关的“软核 ( s o f tc o r e ) 。作为一种独立于工艺的设计，可嵌入 式地应用于各类片上系统中。可重用技术的应用不仅可以大大缩短芯片的设计 周期，而且还可以消除e s d a 与e d a 之间的衔接障碍，促进e s d a 设计技术 迅速发展和成熟起来。 1 2 2 模拟技术概述 1 ) 模拟的概念与目的 模拟( s i m u l a t i o n ) ，也称为仿真( e m u l a t i o n ) ( 本论文中提到的模拟和仿真作 同一概念对待) ，是对电路设计的一种间接的检测方法。对电路设计的逻辑行 为和运行功能进行模拟测试，可以获得许多对原设计进行排错、改进的信息。 一个设计项目的成功与否，关健在模拟。对于利用硬件描述语言设计的复杂的 数字集成电路系统，能进行可靠、快速、全面的模拟测试尤为重要。 模拟主要有三个目的：逻辑验证、特性分析和试验研究。逻辑验证是逻辑 功能的正确性验证。输入的测试向量是0 1 序列信号，验证的方法是检查电路 对输入端的测试矢量的输出响应，并与电路的真值表、逻辑式等进行比较。其 间一般不考虑元器件的时间延迟。特性分析是对电路的时间特性进行仿真，检 查电路的延迟特性并发现可能潜在的竞争、险象等问题，其中重要的是每个元 件模型必须十分精确。 2 ) 模拟的级别 为精确地描述数字电路，引入了逻辑低电平“0 ”、逻辑高电平“1 、高阻 态“z 和不定态“x ”等离散状态和信号强度。这些状态只在特定的时间点变 化。数字电路的描述级别不同，在描述方法、模型抽象、模拟算法及实现上也 不同。 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 ( 1 ) 行为级模拟以行为级模型为对象，主要着眼于系统功能和内部运行过 程。其基本元素是操作和过程。各操作之间主要考虑其数据传输、时序配合和 状态转换。模拟的方法般是对描述的解释执行，或者将硬件描述语言编译成 一般软件语言然后执行。模拟算法大都采用事件驱动算法。模拟时观察作为运 行结果的输出数据及时间配合关系或状态转换关系，来判断描述的正确性。 ( 2 ) 寄存器传输级模拟寄存器传输级模拟的目的是在较高的设计层次上， 以指令操作时间表为基础，检查数据传输流程及指令执行的正确性。主要通过 数据在寄存器元件之间的流动来模拟系统的行为，也隐含表达了电路的大致结 构。与行为级模拟一样也采用事件驱动算法。 ( 3 ) 逻辑门级模拟逻辑模拟的对象是由各种逻辑门和触发器构成。模拟目 的是检查电路是否具有规定的功能。模拟的方法是在输入激励的作用下，通过 观察和分析波形关系判断其功能和时序关系是否正确，同时还可以检查尖峰、 竞争冒险等问题。 ( 4 ) 电路模拟电路模拟的对象是用最基本的电路元件如电阻、电容和晶体 管等组成的网络。电路模拟是一种精确的电学模拟，一般在数字设计中只对一 些关键的电路模块进行电路模拟。 3 ) 模拟方法与流程 硬件描述语言的源程序可以直接用于模拟，无论是进行功能模拟，还是进 行时序模拟，其模拟方法有两种。 ( 1 ) 交互式模拟方法 在众多的e d a 工具中，大多数的v h d l 模拟器允许进行实时交互式的操 作，允许在模拟运行期间对输入信号赋值，指定模拟时间，并观察输出波形， 最终经过多次反复的模拟过程后，在系统的逻辑功能，时序关系满足要求后， 模拟过程结束。 ( 2 ) 测试平台法 利用测试平台，可以实现自动地对被测试单元输入信号测试矢量，并且通 过波形输出，文件记录输出，或与测试平台中的设定输出矢量来进行比较，可 以验证模拟结果。 与交互式模拟方法相比，测试平台具有以下优点1 可以简便的对输入和输 出矢量进行记录归档；相对于手工方式，需要逐个处理输入和输出矢量而言， 5 哈尔滨i j 程大学硕十学位论文 它提供了一种更为系统的模拟途径；一旦建立了测试平台并确定了测试矢量 后，在设计经过多次修改后，仍然可以很容易地重新进行模拟；针对源v h d l 模型的测试平台，同样可以应用在实现后设计的时序模拟中。 测试平台与源代码具有相同的输入、输出端口，因此利用测试平台可以对 一个设计进行功能模拟和时序模拟。 硬件描述语言v e r i l o gh d l v h d l 模拟的一般过程如图1 1 所示。 图1 1v e r i l o g v i - i d l 模拟流程 对于大型设计一般都是采用模块化设计，在设计完成之前即可进行分模块 的v c r i l o g v h d l 源代码模拟，模拟使得在设计的早期阶段即可以检测到设计 中的错误，从而进行修正嘲。 1 2 3 基于布尔代数的定时分析模型和方法 电路的定时特性p k , z 3 3 1 在芯片设计中占据着越来越重要的地位，目前已经作 为设计中的主要矛盾突出出来。 1 ) 拓扑定时分析模型 拓扑定时分析是人们最早提出的、仍旧是目前应用广泛的一种延迟分析方 法，它将物理拓扑上最长的路径的长度作为电路的延迟，路径的长度等于该路 径上所有门延迟的和。该分析模型只考虑电路的拓扑结构而不考虑功能的影 响，虽然应用简便也很广泛，但是并不能精确地反映电路的延迟情况。不能适 应目前芯片设计的需求。 6 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 2 ) 功能定时分析模型 物理拓扑上最长的通路实际很可能是不能被任何输入向量激活的，即不能 敏化的。任何输入向量都不能激活的通路称为假通路。考虑假通路的定时分析 称为功能定时分析，亦称为精确定时分析。功能定时分析考虑进了电路功能对 电路延迟特性的影响，通过判断通路是否满足敏化准则得到最长可敏化通路作 为关键路径，从而排除掉不可敏化的假通路。 然而早期的各个功能定时模型都有一个共同的缺点：没有能够将功能与定 时有机结合，功能定时分析中的敏化准则是基于功能测试的约束条件。基于传 统的布尔代数的敏化概念，没有考虑延迟分配，因此都不能精确地描述电路的 定时特性。布尔过程论中的波形敏化是考虑了延迟分配的敏化准则，比传统的 通路敏化概念更接近实际，从而可以得到精确的定时描述。而且波形敏化使得 电路中可测的通路数大大增加了，对电路中大部分通路都可以产生波形敏化的 测试向量，使用波形敏化作为测试产生约束，可大大提高测试的故障覆盖率， 为电路的延迟故障诊断提供了一种有效的工具。 3 ) 考虑物理因素的功能定时分析模型 近年来，由于电路设计中v d s m 效应的影响，噪声因素严重影响电路的定 时特性，人们开始在定时模型中考虑v d s m 效应的影响。人们或者用统计定时 分析的方法或者在电路级进行模拟的方法进行定时，这些方法在准确性和复杂 电路求解方面存在很多缺陷。而且这些方法在考虑功能定时分析方面并没有什 么改造，仍是基于传统的敏化准则进行定时。 1 3 硬件描述语言简介 硬件描述语言( h o e ) 1 研是用一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字 逻辑系统的语言，是硬件设计人员和电子设计自动化工具之间的界面。和通常 的软件程序设计语言不同，其主要目的是用来编写设计文件，建立硬件器件的 模拟模型。硬件系统的基本性质和硬件设计的方法决定了硬件描述语言的主要 特性。硬件描述语言的语法和语义的定义是为了能描述硬件的行为，它应当能 自然地描述硬件中并行的、非递归的特性以及时间关系。硬件描述语言发展至 今已有几十年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：模拟、验证、综合等。 h d l 于1 9 6 2 年由i v e r s o n 提出，随后许多高等学校，科研单位，大型计算机厂 7 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 商都相继推出了各自的h d l ，对设计自动化起到了促进作用。进入8 0 年代后 期，硬件描述语言向着标准化的方向发展。最终，v h d l 和v e f i l o gh d l 成为 i e e e 技术标准。 1 3 1 硬件描述语言的特征 1 ) 硬件描述语言既包含一些高层程序设计语言的结构形式，同时也兼顾 描述硬件线路连接的具体构件。 2 ) 能将电子系统在不同的抽象层次上进行精确而简练的描述。硬件描述 语言采用自顶向下的数字电路设计方法，主要包括三个领域五个抽象层次，如 表1 1 所示。 表1 1h d l 抽象层次描述表 ：寨 行为领域结构领域 物理领域 抽象层次 系统级性能描述部件及它们之间的逻辑连接芯片、模块、电路板和 方式物理划分的子系统 算法级i o 应答算法级硬件模块数据结构 部件之间的物理连接、 电路板、底盘等 寄存器并行操作寄存器算术运算部件、多路选择器、 传输级传输、状态表寄存器总线、微存储器之间芯片、宏单元 的物理连接方式 逻辑级用布尔过程叙述门电路、触发器、锁存器 标准单元图 电路级微分方程表达晶体管、电阻、电容、电感晶体管布图 3 ) 硬件描述语言具有并发特征，即具有在同一时刻执行多任务能力。 4 ) 硬件描述语言有时序的概念。一般来讲，编程语言是没有时序概念的， 但在硬件电路中从输入到输出总是有延迟存在的，为描述这些特征硬件描述语 言需要建立时序的概念。因此，使用硬件描述语言除了可以描述硬件电路的功 能外，还可以描述其时序要求。 5 ) 能在每个抽象层次的描述上对设计中的系统进行模拟验证。模拟验证 是硬件描述语言设计电子系统的最主要特点之一。一方面，采用h d l 描述进 行设计时，在每个抽象层次上都可以进行模拟仿真，及时发现可能存在的设计 8 哈尔滨丁程人学硕十学何论文 错误，从而保证整个设计过程的正确性。另一方面，目标系统性能的好坏，也 只有通过模拟才能反映出来，因而描述的可模拟性也是实现e d a 工具中各类 优化设计技术的基础和保证。 6 ) 高层次的h d l 描述与具体工艺实现无关，便于标准化与可重用设计技 术。在进行逻辑综合以前，寄存器传输级及其更高层次的h d l 描述与具体的 实现工艺无关。同样一个用h d l 描述的设计，最后可以用f p g a 实现，也可 以进行流片生产，不同的只是逻辑综合时映射到不同的工艺库中加以实现。作 为语言本身，v e r i l o gh d l 和v h d l 都为i e e e 标准，这样使设计可能会偏向于 按照一定的规范标准来进行，这对于发展可重用设计技术，解决下一代复杂的 s o c 设计提供了实现的可能性。 1 3 2 硬件描述语言的设计流程 1 ) 自顶向下( t o p d o w n ) 设计的基本概念 自上而下的设计是从系统开始，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。一个完整的复杂数字逻辑电路和系统的硬件设计可 采用这种层次化、结构化的分级设计方法。这种设计隐含着硬件设计方案的逐 次分解，可以用图1 2 所示的设计树描述。在这个设计树上，节点对应着该层 次上基本单元( 模块) 的行为描述，数枝对应着基本单元的结构分解。在层次 设计硬件描述语言描述中，随着层次由顶到底，描述方法也由行为描述转向结 构描述，只是主要的描述由行为描述建模，而辅助模块由结构描述建立模型。 图1 2t o p - d o w n 设计方法 9 哈尔滨t 程人学硕十学佗论文 自顶向下设计的优点是：在设计周期伊始就做好了系统分析；由于设计的 主要模拟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，同时也减少了逻辑模拟的工作量；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：最小单元不标准，制造成本高。 2 ) 设计流程 硬件描述语言的设计流程如图1 3 所示。 图1 3 硬件描述语言设计流程图 其中，总体方案是针对芯片级的；软件模拟用来检测程序上的逻辑错误的；硬 件模拟要根据搭成硬件电路，检查逻辑和时序上的错误。 通过图1 3 可以看出，设计流程主要由两大主要功能部分组成。 1 ) 设计开发：编写设计文件一综合一布局布线一投片生成一系列步骤。 2 ) 设计验证：就是进行各种模拟的一系列步骤，如果在模拟过程中发现 问题就返回设计输入进行修改。 1 4 本论文工作和内容安排 本论文主要对布尔过程论在延迟分析和波形模拟方面的应用进行研究，讨 论了基于布尔过程的精确解析延迟模型和层次化的延迟分析方法，以及用硬件 描述语言实现基于布尔过程理论的波形模拟，具体内容如下： 1 ) 在进行大量文献阅读的基础上，对数字系统设计技术的发展，尤其是 延迟模型的逐步完善和模拟算法的不断改进有了更加全面的了解。 2 ) 深入学习和研究了布尔过程理论的发展和应用，了解了波形以及w f p ( 波形多项式) 的概念、运算及相关性质，掌握了其对通路敏化的重新定义和 1 0 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 计算敏化通路的原始输入波形的新算法。 3 ) 对模拟过程中涉及到的一些关键问题和处理算法进行了详细阐述，包 括：布尔过程中使用的门级延迟模型，采用编排级数法确定组合逻辑的层次关 系，最小时钟周期的确定算法，基于周期的同步时序电路的模拟算法，以及竞 争冒险的检测处理。 4 ) 详细研究了布尔过程论在计算电路延迟方面的应用，其中包括改进的 解析延迟模型和基于延迟矩阵的层次化延迟分析方法。并对部分i s c a s 8 5 基准 电路进行延迟计算，验证此方法的正确性。 5 ) 在对硬件描述语言v h d l 和v e r i l o gh d l 的基本语法和语义有了深刻 认识的基础上，成功地用硬件描述语言表示布尔过程论中的波形。给出了采用 通路敏化输入波形方法决定最小时钟周期的算法。 6 ) 在q u a r t u s i l 7 2 的软件平台中，用硬件描述语言分别对组合电路和时序 电路进行波形模拟，得出实验结果并进行分析。 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 第2 章布尔过程理论及应用 1 9 9 4 年，我国闵应骅教授提出布尔过程理论n l 。布尔过程是一种能精确表 示电路逻辑状态和时序特征的有效理论工具。它采用波形的表示方法，将逻辑 属性和时间属性有机地结合起来，提出了一种通过用数学分析途径来精确地描 述逻辑电路的定时特性的方法，有利于设计中的定时验证。十几年来，布尔过 程论经过学者们的不断研究和扩展，已经初步形成了自己的理论体系，并在i c 设计中取得了许多的应用成果。由于在本文后面各章节中用到了布尔过程论的 基本概念和一些应用算法，本章将对该理论进行详细介绍。 2 1 布尔过程论基本理论 2 1 1 布尔过程 在布尔过程中，电路中每一个点的状态不再用简单的0 和l 表示，而是用 一个以时间参数t 为自变量的波形函数来表示。由于波形函数包含了逻辑信息 和定时信息，因此布尔过程成为一种能精确地描述逻辑电路的定时特性的有效 理论工具。 定义2 1 在有两个元素的实数集合b = 0 ，1 ) 上定义如下三种运算： avb = m a x a ，b ，aab m i n a ，b ，i 一1 一a 。不难证明，( o ，玲，v ， ，一) 是一 个布尔代数。布尔过程 x ( f ) l t e t ) 是与参数t 有关的布尔变量族，其中t 在一 个参数集丁c ( 一，+ ) 内变化。 考虑某些特殊情形，若t i _ 一个时钟周期，则x ( t ) 描述在此周期内任意 时刻t 的逻辑值。若t = 0 ，1 ，2 ，3 ，) ，则x ( t ) 描写同步时序电路离散时 间的逻辑行为。若t = ( 棚，+ ) ，x ( t ) 将是电路异步性的完全的描述，不论 它是异步电路、同步电路或组合电路，也不论采用哪一种时滞模型。 定义2 2 实值函数x ( t ) 成为一个波形，如果对任何t ，x ( t ) = o 或1 ；而且 x ( t ) 是最多具有可数多个不连续点 一 f 1 t 2 白 6 。0 1 的转换称为波形的上升沿，而1 _ o 称为下降沿。显然布尔过程的一个样本x ( t ) 就是波形，而在任意给定时刻，它是一个布尔变量。如不引起混淆，就简记为 x 。 定义2 3 实值函数 o ，= ：三三( 2 - 2 ) 称为基本波形，简记为1 0 0 。它表示只在t = 0 时有一个上升沿的波形。类似地，以 下用o ) r 表示只在t = r 有一个上升沿的波形。显然t o t ( t ) = c o o ( t f ) 。同时，只在 t = r 有一个下降沿的波形可表示为1 一铆；在ta f 上升、脉宽6 的正脉冲可表 示为0 3 r 一饼+ j ，而相应的负脉冲则为1 一o h + o j b r + d 。 定理2 1 设a ，b ，c 是波形，则 m i n ( a ，口) 一a x b ， m a x ( a ，b ) l i t a + b a b ， m a x ( a ，b ，c ) 一a + b + c 一扭- a c b c + a b c ， q 哆2 伽，y ， t o x c a , + 6 一心+ 6 如6 0 ， ；g x s y ，贝0 q 之， 其中，x ，y ，6 是实数，+ ，一，指实数