（微电子学与固体电子学专业论文）精简指令集译码器的ic设计.pdf

中文摘要 本文首先介绍了当前先进的集成电路设计方法和新一代的集成电路设计工具，然 后对p i c 系列微控制器的特性和原理作了深入的研究，最后在此基础上对我们将要设 计出的“a s i c 微机”中采用的精简指令集译码器进行了芯片设计。 如今，集成电路的规模和设计复杂度在不断地提高。为了适应当前的这种形势， 广大i c 设计者已经开始采用更为高层次的设计工具以及更为结构化的设计方法。新 一代的电子设计自动化( e d a ) 系统中引入了硬件描述语言( h d l ) ，同时还引入了行 为综合和逻辑综合工具，因而极大地提高了设计能力。c a d e n c e 就是新型e d a 工具 的典型代表。 目前我们正在研制一种新型的、性能优良的“a s i c 微机”，作为a s i c 电路的核 一i i , ，使它成为我们进行a s i c 电路设计的基础，因此我们借鉴了一些优良的微控制器 的结构和原理。m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 x 微控制器是一系列低功耗、高性能、8 位全静态、基于e p r o m 瓜o m 技术的c m o s 微控制器。它采用只带有3 3 条单字单 周期指令的精简指令集计算机( r i s c ) 结构。除程序分支指令以外的所有指令的执 行时间都为单周期( 2 0 0 n s ) 。p i c l 6 c 5 x 带来了比同等价格的产品更高的性能。它的 易学易用的指令系统同时也大大减少了编码的开发时间。因此在我们的设计中汲取了 该系列微控制器的很多精华，例如我们的设计所用指令系统就是在借鉴系列产品的精 简指令集的基础上设计而成的。 本人在利用新一代的集成电路设计方法和设计工具c a d e n c e 进行了基本电路的 设计后，对我们设计的“a s i c 微机”中的精简指令集译码器部分作了前期的芯片设 计。所有的设计工作均用c a d e n c e 完成。 关键词：硬件描述语言( h d l ) ，电子设计自动化( e d a ) ，微控制器， 精简指令集计算机( p , j s c ) ，指令译码器，c a d e r l c e a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea d v a n c e dm e t h o d o l o g ya n dt o o l so ft h ei n t e g r a t e d c i r c u i t sd e s i g n t h e nt h ec h a r a c t e ra n dp r i n c i p l eo f p i c l 6 c 5 xm i c r o c o n t r o l l e rs e r i e sa r e s t u d i e dd e e p l y a tl a s t ，t h ei cd e s i g no fr e d u c e di n s t r u c t i o ns e td e c o d e ro no u r a s i c m i c r o c o m p u t e r c h i ph a s b e e nm a d e n o w , t h es c a l ea n dt h ed e s i g nc o m p l e x i t yo fi n t e g r a t e dc i r c u i t sa r eb e i n ge n h a n c e d c o n t i n u a l l y t oa d a p tt ot h ec u r r e n tc o n d i t i o n ，m o s t i cd e s i g n e r sh a v ee m p l o y e dt h ed e s i g n t o o l sa n dm e t h o d o l o g yw h i c ha r eb a s e do nt h eh i g h e rl e v e l s 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 ) h a s b e e ni n d u c e di n t ot h en e w g e n e r a t i o no fe l e c t r o n i c s y s t e md e s i g n a u t o m a t i o n ( e d a ) s y s t e m ，t h e t o o l so fb e h a v i o r a ls y n t h e s i sa n dl c g i c a l s y n t h e s i s a r c i n d u c e da sw e l l c o n s e q u e n t l y ，t h ei cd e s i g na b i l i t yi si m p r o v e dg r e a t l y c a d e n c ei st h e t y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no f t h e n o v e le d a t o o l s n o ww ea r e d e s i g n i n g an o v e l “a s i c m i c r o c o m p u t e r w h i c h h a se m i n e n t p e r f o r m a n c ea n dw i l lb et h eb a s eo f o u rf u t u r ea s i cd e s i g n ，s ow eh a v es t u d i e ds o m e e x c e l l e n tm i c r o c o n t r o l l e r sf o rr e f e r e n c e f i r s t l y t h e p i c l 6 c 5 xf r o m m i c r o c h i p t e c h n o l o g y i sa f a m i l y o f l o w c o s t ，h i i 曲p e r f o r m a n c e ，8 - b i t ，f u l l y s t a t i c ， e p r o m r o m - b a s e dc m o sm i c r o c o n t r o l l e r s i te m p l o y sar i s ca r c h i t e c t u r ew i t ho n l y 3 3s i n g l ew o r d s i n g l ec y c l ei n s t r u c t i o n s a l li n s t r u c t i o n sa r es i n g l ec y c l e ( 2 0 0 n s ) e x c e p tf o r p r o g r a mb r a n c h e sw h i c ht a k et w oc y c l e s p i c l 6 c 5 xd e l i v e r sp e r f o r m a n c ea no r d e ro f m a g n i t u d eh i g h e rt h a ni t sc o m p e t i t i o n si nt h es a m ep r i c ec a t e g o r y t h ee a s yt or e m e m b e r a n de a s yt ou s ei n s t r u c t i o ns e tr e d u c e sd e v e l o p m e n tt i m es i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r ew eh a v e a b s o r b e dm a n y p i t h sf r o m t h i ss e r i e so f m i c r o c o n t r o l l e r s ，f o re x a m p l e ，w ei n t r o d u c e dt h e r e d u c e di n s t r u c t i o ns e te m p l o y e di np i c l 6 c 5 x c h i p s i n t oo u r d e s i g n a f t e rt h ed e s i g no fs o m eb a s i cc i r c u i t s ，ih a v ef i n i s h e dt h ei cd e s i g no fr e d u c e d i n s t r u c t i o ns e td e c o d e r , o n ep a r to fo u r a s i cm i c r o c o m p u t e r a l ld e s i g nt a s k sa r c i m p l e m e n t e d w i t hc a d e n c e k e y w o r d s ：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 ( h d l ) ， e l e c t r o n i c s y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) ，m i c r o c o n t r o l l e r , r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ( r i s c ) ，i n s t r u c t i o nd e c o d e r , c a d e n c e 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和取得的 研究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：豆灿 签字目期：姗年歹月劬。臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞叁茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生基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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：曼事怂导师签名 李引芬 签字日期：t 毗年f 月o 日 签字日期：z 口凸z ，年岁月z 口臼 翌二童堑笙 一 第一章绪论 1 1集成电路及其设计的变革 从1 9 5 9 年第一块集成电路的诞生到现在的4 0 多年里，集成电路技术发生了惊人 的变化。第一块集成电路上仅有4 个晶体管，而如今，一个芯片上可以集成的晶体管 数目已经高达数十亿或上百亿个。在这4 0 年里，集成电路技术经历了小规模s s i ( s m a l ls c a ei n t e g r a t i o n ) 、中规模m s i ( m i d d l es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、大规模 l s i ( 1 a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、超大规模v l s i ( v e r y1 a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、 特大规模u l s i ( u l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 阶段。 随着集成度的飞速提高和半导体集成技术的不断发展，设计工作者所面临的设计 工作越来越复杂。因此，急需一场“设计革命”，即变革设计方法、改进设计工具， 在保证设计质量的前提下提高设计能力，提高集成电路设计的“生产力”。 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 md e s i g n a u t o m a t i o n ) 的发展，大致可分为三个阶段：计算机辅助设计c a d 、计算机辅助工程c a e 、高层次 设计自动化，如图卜1 所示。 第一代e d a 出现于7 0 年代，称为计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 系统，它以交互式图形编辑和设计规则检查为特点，分别进行逻辑图输入、逻辑模拟、 电路模拟、版图设计和版图验证，并需要人们在两者的结果之间进行多次的比较和修 改以得到正确的设计。 8 0 年代出现了第二代e d a 系统，称为计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ) 系统。工程师从输入线路图开始设计电路，在工作站上完成全部的设 计工作：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。 第三代e d a 系统是以高层次设计的自动化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 ) 为特点。由于进入9 0 年代后，芯片的复杂度和集成度越来越高，原理图输入这种原 始的方式已经不能适应形势，因此种从行为、功能级开始工作的设计方式硬件 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 ) 应运而生。经常采用的硬件描述语 言有两种：v h d l 和v e r i l o gh d l 语言。除了引入h d l 外，第三代e d a 还引入了行为 综合和逻辑综合工具。这样采用较高的抽象层次进行设计，并且按照层次方式进行管 理，可以大大提高处理复杂设计的能力，所用周期也大幅度缩短，芯片的面积、速度、 功耗等品质得到了优化。这种设计系统很快得到推广，一直沿用至今。 第一章绪论 ( j ；d 厂；幻 1 一 ( j ； 9 睥代高层次设计自动化臣扫 ，一t q 蓬) 。睥代计删舭程臣牺 ( 玉 ) 章 7 0 年代计算机辅助设计( ，1 而f 、) 、_ 。- _ _ _ _ ， 图卜1 集成电路设计自动化的各个阶段 但随着集成电路技术的进步发展，目前有三大障碍困扰着芯片设计者。第一是 设计时缺少同时对硬件器件和软件部分迸行描述的统一语言：第二，随着单一芯片上 逻辑门数量超过百万门，设计验证工作很快变得比设计任务本身还要艰巨；第三，不 仅门数量增多，芯片频率也在攀升，为了满足信号定时方面的要求，设计往往需要多 次反复。一些具有新思想的公司正在努力开发新的设计工具来攻克这些问题，例如， 加利福尼亚s a nj o s e 的c o d e s i g na u t o m a t i o n 公司就进行了一些新的探索。他们从 结合硬件描述语言v e r i l o g 和软件描述语言c 的特点开始，试图开发一种新的语言来 实现设计过程的一体化。 1 2e a d e n c e 原有的e d a 设计系统是以软件工具为核心，新一代的系统是一个统一的、协同的、 集成化的、以数据库为核心的系统。大型的e d a 软件c a d e n c e 就是新一代e d a 系统的 典型代表。 c a d e n c e 设计系统中包括硬件描述语言h d l 工具、i c 设计工具、以及一些系统设 计所使用的工具。h d l 工具支持三种数字模拟：l e a p f r o g 、n c v e r i l o g 、v e r i l o g x l 。 在我们的设计中经常采用的是v e r i l o g - x l 。h d l 工具带有网表生成、编译器，拥有各 种逻辑模型，支持逻辑综合，时序分析等等。i c 设计工具还支持混合信号的模拟、 数字电路的模拟、电路图设计和验证、版图设计和验证、时序验证等等。 第一章绪论 c a d e n c e 非常适用于深亚微米的设计。对于深亚微米的电路，在进行高层设计时 必须考虑底层的物理实现，然而，在c a d e n c e 系统中由于内核( c o r e ) 的行为级模型 有其物理实现的精确的延时信息，使得设计者可在设计的早期兼顾芯片的物理实现， 从而可以较精确的估计互连的延时，以达到关键路径的延时要求。 作为流行的e d a 工具之一，c a d e n c e 一直以来都受到了广大e d a 工程师的青睐。 c a d e n c e 几乎可以完成电子设计的方方面面，包括a s i c 设计、f p g a 设计和p c b 板设 计。c a d e n c e 在模拟、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面都有着绝 对的优势。c a d e n c e 与s y n o p s y s 的结合可以说是e d a 设计领域的黄金搭档。此外， c a d e n c e 公司还开发了自己的编程语言s k i l l ，并为其编写了编译器，所有的c a d e n c e 工具都是用s k i l l 语言编写的。 在实际设计中较常用到的c a d e n c e 的工具有v e r i l o gh d l 仿真工具v e r i l o g - x l ， 电路设计工具c o m p o s e r ，电路模拟工具a n a l o ga r t i s t ，版图设计工具v i r t u o s o l a y o u te d i t o r ，版图验证工具d r a c u l a 和d i v a 以及自动布局布线工具p r e v i e w 和 s i l i c o ne n s e m b l e 。 本文所作的所有集成电路设计工作都是用c a d e n c e 完成的。 1 3p l c 系列微控制器 专用集成电路( a s i c ) 从狭义上讲是按照用户的订货要求( 技术、性能、功能 等) ，为用户制作的有特定用途的集成电路即定制集成电路，从广义上讲，它还包括 可编程逻辑器件( p l d ) 和专用标准电路。a s i c 和半导体存储器是半导体工艺技术 发展的双重推动力。半导体存储器促进了集成密度的提高、器件结构的变革、微细加 工技术的进展；a s i c 的发展推动了c a d 技术( 门阵设计、标准单元设计、自动布 局布线) 、c a t 测试技术( 测试码生成、定制半定制的可测性设计和测试) 、多层布 线技术的进步。 a s i c 电路有很多的种类，比如门阵、模拟电路阵列、标准单元等，“a s i c 微机” 就是其中一种。“a s i c 微机”是灵活的微控制器或半定制微机，母片上以中央处理器 ( c p u ) 为核心，配有各种r a m 、e p r o m 和外围接口，可以按照用户提出的硬件 和软件要求构成单片微机或微控制器。 单片机又称微控制器( m i e r o e o n t r o l l e r ) ，目前也有人根据单片机的结构和微电子 设计特点将其称为嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) 或嵌入式微控制器 ( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 。 计算机是应数值计算的要求而诞生的它以满足巨大数值运算为己任，长期以来 总是朝着不断提高运算速度及存储容量的目标迅速发展。微型计算机出现后，计算机 硬件系统得到了长足的发展，通用微处理器更是以惊人的速度更新。伴随着半导体 第一章绪论 v l s i 技术的不断发展，出现了芯片级的计算机单片机，也就是说，一块芯片就是 一台计算机。汁算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器和多种i o 接口能够被集成 在个芯片上，片内的各个功能部件通过内部总线相互连接起来。单片机具有性能价 格比高、控制功能强、低电压、低功耗和集成度及可靠度高的特点，而且它的应用面 很广，所以发展很快。 各个领域的应用向微控制器厂商提出了更高的要求，例如希望速度提高、功耗降 低、体积缩小、价格更低廉等等，同时也希望组成系统时所需的外围器件更少。美国 m i c m c h i p 技术公司的p i c 系歹i j 微控制器体现了微控制器工业发展的新趋势。它采用 精简指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 、哈佛( h a y e d ) 双总线 和两缴指令流水线结构，是高性能价格比的8 位嵌入式控制器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 。 因此这一系列的微控制器具有高速度( 每条指令最快可达1 6 0n s ) 、低工作电压( 最 低可为3 v ) 、低功耗( 3 v ，3 2 k h z 时1 5 u a ) 、较大的输出直接驱动l e d 能力( 灌电 流可达2 5 m a ) 、一次性编程o t p ( o n et i m ep r o g r a m m a b l e ) 、低价位( 最低不到8 元人民币) 、小体积0 8 引脚) 和指令简单易学易用等特点。 m i c r o c h i p 公司同时推出三个层次、几十种型号的微控制器产品来满足不同的设 计需求，这三个系列的微控制器的每一种型号的芯片都含有片内程序存储器，而且它 们的指令系统向上兼容，用户可以根据需求选择具有各种不同外围接口功能、不同封 装形式和不同电压范围的芯片。m i c m c h i p 公司还可以提供完整的可兼容的开发工具 套件和全球的现场应用支持。因此，这个系列的微控制器具有极强的竞争力，从办公 自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器到汽车电子、金融电子、工业控制 都能看到它的应用。如今p i c 系列微控制器已经成为一种新型的8 位微控制器的世界 标准和最有影响力的主流嵌入式控制器。 我们教研室的老师和同学目前也正致力于开发研制一种新型的、性能优良的 “a s i c 微机”，作为a s i c 电路的核心，它将成为我们进行a s i c 电路设计的基础。 我们借鉴了一些现有的结构较为合理、功能较为强大的微控制器。在当前五彩缤纷的 微控制器中，由于美国m i c r o c h i p 技术公司p i c 系列单片机以其上述特有的性能而独 树一帜，因此在我们的设计中汲取了它的很多精华，例如在借鉴该系列产品的精简指 令系统的基础上，经过整理、修改形成了适用于我们设计的特定电路中的指令系统。 本文在对当前的1 c 设计方法和利用c a d e n c e 这一先进的e d a 系统工具进行的一 些初步设计进行了介绍后，对p i c l 6 c 5 x 系列微控制器的内部结构、工作原理作了一 定的说明和分析，最后在此基础上介绍了我对我们将要设计出的“a s i c 微机”中的 精简指令集译码器所进行的芯片设计。 本次设计不同于传统设计方式的是：对指令译码器直接在高层次用v e r i l o gh d l 进行行为级描述，然后使用c a d e n c e 系统中的工具对设计进行模拟、综合，在设计出 第一章绪论 一种特殊的精简指令译码器的同时，探索出了一条完成复杂集成电路设计的途径。这 种设计方式使得设计易于修改、易于管理、易于完善，同时，设计成果能为类似的电 路系统所重复采用。 第：章集成电路设计的初步探索 第二章集成电路设计的初步探索 目前，专用集成电路设计中面临着设计能力没有改进而设计复杂度却不断提高的 矛盾。1 9 8 4 年专用集成电路设计所要求的电路规模大致在几万个晶体管，2 0 0 0 年专 用集成电路要求的设计规模已达到7 0 0 万至8 0 0 万个晶体管，到2 0 1 0 年要求的设计 规模将达4 0 0 0 月个晶体管。因此，人们必须改进设计方法，在保证设计质量的前提 下提高设计能力，实现这一目标有两条途径： ( 1 )采用高层次设计工具，使得设计者可以在高层次开始设计。 ( 2 )采用更为结构化的设计方法学，使得设计者可以大量重复使用前人过 去设计的部件。 2 1 集成电路设计的层次 2 1 1 集成电路设计的层次划分 标准硬件描述语言( h d l ) ，比如v h d l 和v e r i l o gh d l 可以用来描述完整的电 子系统，也可以描述电子系统的子系统，可以在一个层次化的设计描述中把多个子系 统连接在一起，它的出现，促进了集成电子系统的高层次设计。过去的十几年间，开 发出了许多电子设计自动化工具，包括综合和模拟工具，这些工具的采用，有助于在 高层次上描述和设计集成电路。硬件描述语言已经应用到从逻辑f q n 行为级等各种抽 象层次的设计描述中。并且已为广大的设计人员所接受。 一般来讲，集成电路设计可以分为6 个层次，最高层次为系统级，最低层次为版 图级( 又称为物理级) ，硬件描述可在任何层次进行。 1 设计描述的最低层次是版图级。版图级用几何图形描述硬件，即用硅表面上 的扩散区、多晶硅和金属等来表示硬件。在这一层次，硬件的描述只是结构， 而硬件的功能则隐含在器件的物理方程中。 2 版图级之上的层次是电路级。电路级用有源器件和无源器件的互连关系描述 硬件。电路级的基本单元可以为双极集体管、m o s 晶体管、电阻、电容等。 器件的互连关系描述了电路的结构，电压电流之间所满足的微分方程描述了 电路的功能。 3电路级之上是逻辑门级，这是数字系统设计的主要层次。在逻辑门级设计时， 电路的基本单元通常是与门( a n d ) 、或门( o r ) 、异或门( x o r ) 、反相器 等逻辑门，有时还带有少量晶体管构成的开关以及d 触发器、j k 触发器、 锁存器等单元。基本电路单元的互连构成逻辑门级的结构描述。这一层次最 典型的描述是原理图。当然，也可以用v h d l ，v e r i l o g 这样的硬件描述语言 第二章集成电路设计的初步探索 来描述，设计所需要元件的特征由延时描述。 4 逻辑门级之上的层次是寄存器变换级( r t l 级) 。寄存器级最基本的设计单元 是寄存器、计数器、多路选择器、算术逻辑单元( a l u ) 等。这里的基本单 元有时也称为功能块，相应于v l s i 设计时的宏单元。寄存器级设计的结构描 述是其基本单元的互连。由于寄存器级设计时基本单元的行为通常出真值表 或状态表描述，这一层次上完整硬件的行为通常也由真值表或状态表描述。 5 ，r t l 级之上的层次是行为级，也称为算法级。在这一层次，设计由运算步来 描述。运算语句和控制语句( 1 0 0 p ，w a i t ) 被用来组织输入、输出以及不同运 算。这一层次的电路描述通常是事件驱动的描述，一般由外部世界和内部运 算之间交换数据的协议构成。这一层的典型描述方法是行为有限状态机 ( b f s m ，b e h a v i o r a lf i n i t es t a t em a c h i n e ) 、控制流图( c f g ，c o n t r o lf l o wg r a p h ) 、 数据流图( d f g ，d a t af l o wg r a p h ) 和控制数据流图( c d f g ，c o n t r o ld a t af l o w g r a p h ) 。 6 层次化设计的最高层次是系统级。系统级的基本单元可以是计算机、磁盘驱 动器、总线接口等大的数字单元。在这一级，行为描述的内容通常为一些性 能指标。例如计算杌系统，性能指标可以为每秒兆指令( m i p s ) 、总线传输速 率等。 2 ，1 2 集成电路设计不同层次的基本单元 数字系统设计时不同层次采用不同的基本单元。 图2 1 所示为最低层次，即物理级( 版图级) 层次，它是一个c m o s 反相器的物 理版图，它由分布在硅片表面的不同层的几何图形描述，器件的行为隐含在器件几何 尺寸、工艺参数和器件物理方程中。 图2 一l 版图级( c m o s 反相器) 图2 - 2 为电路级层次，c m o s 反相器由互连的两个m o s 晶体管构成，电路行为 隐含在电路方程中。 7 第一章集成电路设计的初步探索 图2 - 4 为寄存器级层次。 输 图2 - 3 逻辑门级( r s 触发器) 图2 - 4 寄存器级( 数字信号处理) 图2 5 为算法级层次，我们所设计研究的微控制器就是这一层次的电路。 第章集成电路设计的初步探索 图2 - 5 算法级( 8 位微控制器) 图2 - 6 是系统级层次，这时的控制器只是系统中的一个部分。 臣至堕 匝( 玉互 壶 对于大部分硬件描述语言，都允许在中间三个层次( 逻辑门级、r t l 级、算法级) 描述电路。例如，本文中对p i c 系列微控制器的指令译码器的设计，就是从用v e r i l o g h d l 描述开始，这就相当于在r t l 级描述电路。 2 2 集成电路设计的分类 芯片设计通常分为正向设计与逆向设计两大类，在这两大类中又分为“自顶向下” ( t o p d o w n ) 和“由底向上”( b o t t o m - u p ) 不同的步骤，详见表2 1 。 2 2 1 正向设计 正向设计通常用来实现个新的设计。 在“自项向下”的正向设计中，首先需要进行行为设计，要确定该v l s i 芯片的 功能、性能及允许的芯片面积和成本等。接着进行结构设计，根据芯片的特点，将其 分解为接口清晰、相互关系明确的数据通道、各种算法状态机等。 下一步是把结构转换成逻辑图，即进行逻辑设计。显然，同一功能块可以由多种 逻辑设计加以实现。在这一步中，希望尽可能采用规则结构来实现和利用己经考验过 的逻辑单元或模块。 第二章集成屯路设计的初步探索 接着进行的是电路设计，逻辑图将进一步转换成电路图。在很多情况下，这时需 要进j j - 硬件模拟，以最终确定逻辑设汁的f 确性。 最后是将电路图转换成版图，进行所谓的版图设训。 在“由底向上”的j 下向设计，是在系统划分和分解的基础上先进行单元设计， 在单元精心设计后逐步向上进行功能块、子系统设计以至到最终完成系统设计。 表2 - 1 “自顶向下”与”由底向上”设计 弋骤 自顶向下由底向上 方法 行为设计系统划分、分解 正 结构设计单元设计 向 逻辑设计功能块设计 设 计 电路设计子系统设计 版图设计系统总成 版图解析版图解析 电路图提取电路图提取 逆 功能分析功能分析 向 结构修改单元设计 设 计 逻辑设计功能块设计 电路设计子系统设计 版图设计系统设计 2 2 2 逆向设计 逆向设计是在剖析别人设计的基础上进行某种修改或改进。 对于逆向设计，无论是“自顶而下”或是“由底向上”，开始的版图解剖，电路 图提取和功能分析这几步都是必需的，在这以后的处理才分成不同的方式。 第二章集成电路设计的初步探索 23 集成电路设计的典型流程 23 1 总体设计流程 从总体来讲，集成电路设计共经历3 个子过程，示于图2 7 。 高层次描述 掩膜 图2 7 集成电路总体的设计流程 1 高层次综合。将系统的行为、各个组成部分的功能及其输入和输出用硬件描述语 言加以描述，然后进行行为级综合。同时通过高层次的硬件模拟进行验证。 2 逻辑综合。通过综合工具将逻辑级行为描述转换成使用门级单元的结构描述( 门 级的结构描述称为网表描述) 。同时还要进行门级逻辑模拟和测试综合。 3 物理综合。将网表描述转换成版图即完成布图设计。这时对每个单元确定其几何 形状、大小及位置，确定单元间的连接关系。 下面将对设计流程作详细的介绍。 2 ，3 2 详细的设计流程介绍 详细的设计流程如图2 8 所示 一般来讲，设计综合被定义为两种不同的设计描述之间的转换，我们这里谈到的 综合是指一种将设计的行为描述转换成设计的结构描述的过程。 1 高层次综合也称为行为级综合( b e h a v i o r a ls y n t h e s i s ) 。它的任务是将一个设计的 第二章集成电路歧计的初步探索 行为级描述转换成寄存器传输级的结构描述。它首先翻译和分析设计的h d l 语 言描述，并在给定的一组性能、面积和或功耗的条件下，确定需要哪些硬件资 源，如执行单元、存储器、控翩器、总线等( 通常称这一步为分配( a t l o c a t i o n ) ) ， 以及确定在这一结构中各种操作的次序( 通常称之为调度( s c h e d u l i n g ) ) 。同时 图2 - 8 详细的设计流程 还可通过行为级和寄存器传输级硬件模拟进行验证。 高层次综合的目的是在要满足目标和约束的条件下，找到一个代价最小的硬 件结构，并使设计的功能最佳。 2逻辑综合是将逻辑级的行为描述转换成逻辑级的结构描述，即逻辑门级的网表。 逻辑级的行为描述可以是状态转移图、有限状态机，也可以是布尔方程、真值表 或硬件描述语言。逻辑综合过程还包括一系列优化步骤，如资源共享、连接优化 和时钟分配等。优化目标是面积最小。速度最快，功耗最低或它们之间的某种折 衷。逻辑综合分成两个阶段：与工艺无关的阶段，这时采用布尔操作或代数操 作技术来优化逻辑；工艺映象阶段，这时根据电路的性质( 如组合型或时序型) 及采用的结构( 多层逻辑、p l d 或f p g a ) 做出具体的映象，将与工艺无关的描述 转换成门级网表或p l d 或f p g a 的执行文件。 逻辑综合优化完成后，还需要进行细致的时延分析和时延优化。此外，还要 进行逻辑模拟。 逻辑模拟是保证设计正确的关键步骤。综合是生成，模拟是验证。逻辑模拟 是在逻辑设计阶段，对自动综合而成的或者人工设计的逻辑网络的逻辑行为作验 证。 3 物理综合也称版图综合( 1 a y o u ts y n t h e s i s ) 。它的任务是将门级网表自动转换成 第一二章集成电路设计的初步探索 版图，即进行布图，布图的详细步骤见图29 。 图2 - 9 布图详细步骤 布图规则是对设计进行物理划分，同时对设计的布局进行规划和分析。在这 一步骤中，面向物理的划分，其层次结构可以与逻辑设计时的划分有所不同。 布图是指将模块安置在芯片上的适当位置，并能满足一定的目标函数。一般 布局时总是要求芯片面积最小，连线总长最短和电性能最优且容易布线。 布线是指根据电路的连接关系描述( 即连接表) ，在满足工艺规则的条件和电 学性能的要求下，在指定的区域( 面积、形状、层次等) 内百分之百地完成所需 的互连，同时要求尽可能优化连线长度和通孔数目。 在完成布局、布线后，要对版图进行设计规则检查，电学规则检查以及版图 与电路图的一致性检查，在版图寄生参数提取的基础再次进行电路分析( 即后模 拟) 。 只有在所有的检查都通过并被证明正确无误后，才能将布图结果转换为掩膜 文件。然后由掩膜文件设法生成掩膜版，通常这是通过图形发生器或电子束制版 系统得到的。 我们设计中进行逻辑级的综合与验证时使用的技术库是c a d e n c e 系统中已有的， 但是，这些技术库中没有工艺数据、自动布局布线用的库单元及显示信息。由于设计 将来采用的工艺尺寸和规则还都未定，因此只对我们的设计进行了逻辑级的综合和模 第二章集成电路设计的初步探索 拟没有进行物理级的综合，即版图的自动布局、布线。在练习版图的人工设计时 我们是将设计单元所在的库附着在一个已有的l u m 工艺库上进行的。 2 4 4 选1 电路的设计 本节将对4 选1 电路( m u x 4 ) 的集成电路设计过程作一个简要的介绍，同时使得 大家对c a d e n c e 这一功能强大的e o a 工具的功能和用法有一个更为深入的了解。 该4 选l 电路所要实现的逻辑功能如表2 2 所示。 表中输入端口s 1 、s o 为选择控制信号，输入端口a 、b 、c 、d 分别代表被选择的 信号，输出端口y 代表选中的信号。 表2 - 24 选l 电路真值表 s 1s oy 选中的信号 ooa 0lb loc 1ld 2 4 1 电路图输入法 第一步电路图的输入，即将逻辑图转换成电路图， c a d e n c e 中的电路设计工具是s c h e m a t i cc o m p o s e r ，设计电路图的具体过程为： 1 启动c o m p o s e r 先在u n i x 提示符下输入i c f o & ，再按回车，经过一段时间，就会出现c i w ( c o m m a n di n t e r p r e t e rw i n d o w ) 窗口，如图2 1 0 。从c i w 窗口就可以调用各种工具并 完成许多任务。 图2 一1 0c l w 窗口 c i w 窗口是使用c a d e n c e 时遇到的第一个窗1 ：3 ，是c a d e n c e 主要的用户界面。 第二章集成电路设计的初步探索 c o m p o s e r 的启动很简单，在启动c a d e n c e 后，从c i w 窗口中打开或新建一个单元的 s c h e m a t i c 视图就会自动启动c o m p o s e r 的用户界面。用户即可在其中放入单元及连 线，以构成电路图。 2 用户界面及使用方法 图2 1 1 是c o m p o s e r 的图形界面，在该用户界面中，大部分面积是右下角的显 示区，左边的图标是一些常用的工具。下面将简单介绍一下电路图设计及符号 ( s y m b 0 1 ) 设计的简单流程。 t - 伊 l n n e r 。毒 气 气 辟 点 ， n i 口 ，。 二 1 里 日 x 图2 - 11 c o m p o s e r 的用户界面 图2 1 2 是编辑电路图的一般流程，包括以下几步： ( 1 ) 首先用c o m p o n e n t 命令调用符号库中的元件来添加元件，如图的n a n d 3 。 ( 2 ) 添加完所有的元件后就可以加入引脚p i n s ，可通过a d d 菜单中的p i n 项来进 行添加。 ( 3 ) 布线及标线名，可通过w i r e 命令布线，通过更改其属性标上线名。 ( 4 ) 添加节点，一般这些节点是自动生成的。 ( 5 ) 加注释。 ( 6 ) 加整体属性，如一些自动布局布线属性。 第一二章集成电路设计冉勺初步探索 1 2 3 4 5 a d dn o t e s f o r d o c u m e n t a t l o n + $ c h e m a t i cf o rg z o u pb p u r p o s e s 6 a d dp r o p e r t l e a 图2 1 2 电路图设计的简单流程 符号是用来代表元件盼简单符号，如反相器用一个三角形代替。在c a d e n c e 中， 当上层调用下层单元和进行上下级映射时通常调用其符号。所以，符号在电路设计中 起着很重要的作用。与启动s c h e m a t i ce d i t o r 类似，通过在c i w 窗口中新建或打开一 个单元的s y m b o l 视图，就可启动s y m b o le d i t o r 。图2 1 3 是编辑符号的般流程，主 要包括以下几步： 1 a d d t h e b a s i c s h m p e ，s u h a 5ap o l y g o n c i r c l e , d r 6 。a d dn d e s f o r d o c u m e n t m u o n p u r p o s e s 一臣夏至三固 - i “1 7 a d dp r o p e r t i e s 图2 1 3 符号设计的简单流程 ( 1 )在编辑区加入一些基本的图形。 ( 2 ) 加入符号的p i n 。 第二章集成电路设计的初步探索 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 丐。 加入连接基本图形与p i n 的线。 加入符号的标记，如i n v 。 加入选择外框。 加入文本注释。 更改整体属性。 我们设计的电路图中调用的反相器( i n v ) 、传输门( s ) 就是一些这样的电路符 图2 一1 4 是我们按照上述方法和步骤，设计出的4 选1 电路m u x 4 的电路图。 o g 图2 1 44 选1 电路图 第二步对电路图做逻辑模拟，即验证它的逻辑功能是否正确。 具体的步骤为： 首先，在c o m p o s e r 界面的“m e n ub a n n e r 中选中“t o o l s ”，下拉菜单中有一项 是“s i m u l a t i o n ”，其中又有两个选项，我们选择“v e r i l o g - x l ”，v e r i l o g - x l 是c a d e n c e 中的一个模拟工具。 然后，打开v e r i l o g - x l 的界面( 图2 一t 5 ) ，我们选中m e n u b a n n e r 中的”s t i m u l u s ” 来给我们设计的电路加激励。 第二章集成电路设计的初步探索 图2 1 5从c o m p o s e r 中打开的v e r i l o g x l 的图形界面 我们所加的激励文件为： v e r i l o gs t i m u l u sf i l e i n i t i a l b e g i n a = 1 b o ： b = 1 b o ： c 一1 - b 0 ： d ；1 t b o ： s o = l b 0 ； s 1 = l b 0 ； e n d a l w a y s # 15 0a a ： a l w a y s a