（电路与系统专业论文）usb音频控制芯片的设计及其fpga验证.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论 文( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位 论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可 以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目 录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开 大学向教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息 研究所和中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相 应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 型筮筮 2 0 1 0 年5 月2 9 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目u s b 音频控制芯片的设计及其f p g a 验证 姓名 刘轶轶 学号2 1 2 0 0 7 0 2 0 2 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 9 日 论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院电子科学与技术系专业电路与系统 联系电话 1 3 6 0 2 1 6 8 6 2 8e m a i l l i u y i y i m a i l n a n k a i e d u c a 通信地址( 邮编) ：南开大学电子科学与技术系( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利刚管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利川的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论 文( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位 论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库：( 2 ) 为教学和科研目的，学校可 以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目 录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开 大学向教育部指定单位提交公开的学位论文：( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息 研究所和中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范罔的学位论文及其电子版并收入相 应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务周公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 11 3 2 0 1 6 h 8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开人学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩：提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图j | 5 馆留存。 作者暨授权人签字：室：1 丛 2 0 1 0 年b 月2 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目u s b 音频控毹芯片的设计及其f p g a 验证 姓名刘轶轶 学号 2 1 2 0 0 7 0 2 0 2答辩日期2 0 1 0 年5 月2 9 日 论文类另博十口学历硕士团硕十专业学位高校教师口同等学力硕十口 院系所信息技术科学学院电子科学与技术系 专业 电路与系统 联系电话1 3 6 0 2 1 6 8 6 2 8 e m a i l l i u y i y i m a i l n a n k a i e d u 6 1 1 通信地址( 邮编) ：南开大学电子科学与技术系( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为1 卜公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 割筮毯 2 0 1 0 年5 月2 9 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月 日至2 0年 月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月 日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 中文摘要 近年来，随着科技的进步和人们生活水平的提高，高品质的音频设备逐渐 被人们所青睐，此外由于v o i p 产业的迅猛发展，与其相关的音频芯片发展空间 巨大。 u s b 是目前发展最快，应用面最广的p c 外设接口，u s b 相关产品种类繁 多，但是在音频领域该接口还没有得到充分开发。因此，u s b 音频控制芯片在 这些需求的基础上应运而生。该芯片可以广泛应用于u s b 声卡、u s b 耳机、 u s bs k y p e 电话等场合。 本文首先根据自顶向下的设计方法以及可重用的设计原则讨论了该芯片的 设计方案，包括设计规范、芯片系统实现框图、u s b 音频拓扑结构、u s b 端点 分配情况、模拟数字部分划分以及数字模块划分等。 然后重点描述了主要数字功能模块的原理、端口说明，借助e d a 工具编写 r t l 代码并完成了功能仿真，包括时钟策略、复位策略、c o d e c 、数字混音、 1 2 c 、1 2 s 、s p i 、d m a 、u s b 设备控制器等模块。 最后设计了本芯片系统的f p g a 验证方案，搭建起f p g a 验证平台进行了 f p g a 验证。对验证过程中出现的代码规范化及时序约束等问题进行了分析和 解决，并创新性的提出了一种新的用于u s b 设备调试的方法。经过验证，主要 数字模块工作正常，验证结果基本符合设计规范的要求。 本论文从市场和需求出发，分章节较为系统完整的介绍了一款u s b 音频控 制芯片的设计及其f p g a 验证的实现过程。该芯片成本低廉、应用广泛、无需 驱动、简单易用，具有较高的市场价值。 关键字：u s b 音频s i g m a - d e l t a 转换器f p g a 验证 时序约束 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，谢t l l t h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g ya n d i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d ，h i g h q u a l i t y a u d i oe q u i p m e m sa r eg r a d u a l l y a c c e p t e db yt h ep u b l i c ，f u t h e r m o r e ，s i n c et h er a p i dd e v e l o p m e n to fv o i pi n d u s t r y ， a s s o c i a t e d 、析t hah u g ea u d i oc h i pd e v e l o p m e n ts p a c e r e c e n t l y ，u s bi s t h ef a s t g r o w i n g ，m o s tw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n o fp c p e r i p h e r a li n t e r f a c e ，u s br e l a t e dp r o d u c t sh a v ew i d ev a r i e t i e s ，b u ti nt h ea u d i of i l e d t h i si n t e r f a c eh a sn o tb e e nf u l l yd e v e l o p e d t h e r e f o r e ，u s ba u d i oc o n t r o l l e rc h i po n t h e b a s i so ft h e s er e q u i r e m e n t sc o m ei n t ob e i n g t h i sc h i pc a nb eu s e di nu s b s o u n dc a r d ，u s bh e a d s e t ，u s bs k y p ep h o n ea n ds oo n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec h i p sd e s i g na c c o r d i n gt ot o p - d o w na n dr e u s a b l e d e s i g np r i n c i p l e s ，i n c l u d i n gs p e c i f i c a t i o n ，b l o c kd i a g r a m ，u s ba u d i ot o p o l o g y ，u s b e n d p o i n t sd i s t r i b u t i o n , a n a l o ga n dd i g i t a lp a r tp a r t i t i o na n dd i g i t a lm o d u l ep a r t i t i o n t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n dp o r t so ft h em a i nd i g i t a lb l o c k s ， c o m p l e t e sr t lc o d i n ga n df u n c t i o n a ls i m u l a t i o n 诚t l le d at o o l s ，i n c l u d i n gc l o c k s t r a t e g y ，r e s e ts t r a t e g y ，c o d e c ，d i g i t a lm i x i n g ，f f c ，r s ，s p i ，d m a ，u s bd e v i c e c o n t r o l l e r f i n a l l y ，t h ep a p e rd e s i g n sf p g av e r i f i c a t i o np r o p o s a la n db u i l d sf p g a v e r i f i c a t i o np l a t f o r mt oc o m p l e t ef p g av e r i f i c a t i o n o nt h ev e r i f i c a t i o np r o c e s s p r o b l e m sw e r ea n a l y z e da n dr e s o l v e da n da ni n n o v a t i v eu s bd e v i c ed e b u gm e t h o d w a sp r o p o s e d a f t e rv e r i f i c a t i o n , t h em a i nd i g i t a lb l o c k sw o r k e dc o r r e c t l y t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h em a r k e ta n dd e m a n d ，s u b s e c t i o ni n t r o d u c e st h ed e s i g n a n df p g av e r i f i c a t i o np r o c e s so fu s ba u d i oc o n t r o l l e rc h i p t h ec h i pi sl o wc o s t , 丽d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，1 1 0d r i v e ，e a s yt ou s e ，h a sg r e a tm a r k e tv a l u e k e y w o r d s ：u s ba u d i os i g m a - d e l t ac o n v e n t e r f p g av e r i f i c a t i o n t i m i n g c o n s t r a i n t s i i 目录 目录 中文摘要。i a b s t r a c t i i 目勇匙1 第一章绪论一1 第一节本文的研究背景1 1 1 i 背景及意义。1 1 1 2 国内外发展趋势。2 第二节本文的研究内容2 1 2 1 项目来源。2 1 2 2 论文的主要工作2 1 2 3 论文的结构。3 第二章设计方法和设计流程4 第一节集成电路简介4 第二节设计方法5 2 2 1自顶向下的设计方法。5 2 2 2 片上系统及可重用设计6 第三节设计流程7 第三章u s b 音频控制芯片系统设计方案1 2 第一节设计规范1 2 第二节芯片系统实现框图1 3 第三节u s b 音频拓扑结构1 4 目录 第四节u s b 端点分配及大小1 5 第五节模拟数字部分划分1 5 第六节数字模块划分一1 6 3 6 1 划分原则1 6 3 6 2 数字模块层次结构l7 第四章u s b 音频控制芯片的关键数字模块设计1 8 第一节时钟。l8 第二节复位2 2 第三节c o d e c 2 4 第四节数字混音3 2 第五节1 2 c 3 5 第六节1 2 s 3 9 第七节s p i 4 3 第八节d m a 4 7 第九节u s b 设备控制器5 0 第五章u s b 音频控制芯片的f p g a 验证5 5 第一节i c 系统验证方法概述5 5 5 1 1仿真。5 5 5 1 2f p g a 验证。5 6 5 1 - 3静态时序分析5 6 5 i 4 形式验证5 6 5 1 5物理验证5 7 5 1 6信号完整性检查5 7 第二节i c 系统的f p g a 验证5 7 5 2 1f p g a 验证简介。5 7 5 2 2f p g a 验证流程。5 8 第三节u s b 音频控制芯片的f p g a 验证6 1 2 目录 5 3 1 f p g a 验证系统介绍6 1 5 3 2 f p g a 验证出现的问题及解决方案7 0 5 3 3f p g a 验证结果8 1 第六章总结与展望8 2 致 射8 3 参考文献8 4 个人简历8 6 3 第一章绪论 1 1 1背景及意义 第一章绪论 第一节本文的研究背景 目前中国的音频产业在全球中处于较低端的市场地位，高端市场被日本、 美国、欧洲等品牌所垄断，中国企业只能在低端市场进行低层次的竞争，利润 微薄，竞争惨烈，产业环境恶劣。但是，中国的音频产业市场相当广阔，据统 计，2 0 0 8 年仅耳机的需求量就已过亿，并且与以往只看重产品的价格相比，现 在越来越多的用户开始看重产品的质量。 现阶段主流的计算机音频解决方案是主板板载声卡的方式【1 1 ，这种方式的 优点是成本低廉，技术成熟，不过由于需要在主机箱内进行从数字信号到音频 模拟信号的转换，因此容易受到主板上其他电子设备的电磁干扰，使得音频信 号的信噪比降低，音质受到影响。u s b 音频控制芯片则将数字信号到音频模拟 信号的转换转移到了主机外部，即由内置于耳机中的u s b 音频控制芯片来完成 这个转换，因此不会受到其他电子设备的电磁干扰，给用户带来更加身临其境 的声音感受。此外，随着近年来笔记本电脑的价格逐渐下降，不少家庭用户和 学生用户开始购买笔记本电脑。然而由于受到体积的限制，笔记本电脑在音频 应用方面一直没有什么作为，声音显得空洞而没有层次，而u s b 音频控制芯片 的推出也将使笔记本电脑用户体验到高品质的音效。 与此同时，全球v o l p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l ，网络电话) 设备市场 规模增长迅速【2 】：2 0 0 7 年市场规模约为7 2 7 亿美元，同比增长3 3 5 ，预计到 2 0 1 2 年全球v o l p 设备市场规模有望达到1 8 4 6 亿美元，年增长2 0 以上。据 有关机构预测，v o l p 芯片的市场规模将从2 0 0 4 年的2 8 7 亿美元增长到2 0 0 9 年的1 3 亿美元。因此，基于u s b 音频控制芯片的u s b 电话相关产品势必会在 这场新的市场竞争中占有一席之地。 综上所述，基于优化音质方面的考虑，u s b 音频控制芯片可以广泛应用于 u s b 声卡，u s b 耳机等产品中，使人们能够得到更加身临其境的声音感受；基 第一章绪论 于v o i p 应用方面的考虑，u s b 音频控制芯片可以应用于u s bs k y p e 电话， s k y p e + p s t n 网关等产品中，使得通讯过程更加便捷、舒适和灵活。 u s b 是目前发展最快，应用面最广的p c 外设接口，u s b 相关产品种类繁 多，但是在音频领域，该接口还没有得到充分开发。因此设计一款高质量的u s b 音频控制芯片迫在眉睫。 1 1 2国内外发展趋势 目前国内外关于u s b 音频技术研究及产品介绍的相关文献很少，远不及 u s b 的其他产品如u 盘、u s b 鼠标、u s b 键盘等应用广泛。市场上出现较多 的被称为u s b 音箱的产品也仅仅是将u s b 接口作为电源来给整个音箱供电， 音频信号的连接仍需使用常规的3 5 m m 立体声音频线，这样无论从成本、易用 性以及音质方面都与u s b 音频设备有较大差距【3 】。此外，由于市面上u s b 声 卡、u s b 耳机以及u s bs k y p c 电话中的u s b 音频控制芯片被几个主要的芯片 厂商所垄断，使得其成本偏高，因此u s b 音频控制芯片的市场空间很大。 1 2 1项目来源 第二节本文的研究内容 本文选题来源于天津中晶微电子有限公司的u s b 音频项目组的t c m 3 0 0 8 项目。该公司是一家中外合资的专业集成电路设计公司，其产品涵盖计算机外 设、通信、语音、电源管理等领域，主要产品有：有线无线鼠标控制器、语音 编解码、l e d 驱动、以太网控制器、2 7 mr f 模块等。 1 2 2论文的主要工作 本文的主要工作是较为完整的讨论了一款u s b 音频控制芯片的设计实现方 案，对关键数字功能模块进行了r t l 代码编写及功能仿真并且设计f p g a 验证 方案、搭建起f p g a 验证平台并进行了f p g a 验证。 本文首先根据自顶向下的设计方法以及可重用的芯片设计原则讨论了该芯 片的设计方案，包括设计规范、芯片系统实现框图、u s b 音频拓扑结构、u s b 2 第一苹绪论 端点分配情况、模拟数字部分划分以及数字模块划分等。 然后对本芯片设计中的关键数字功能模块包括时钟策略、复位策略、 c o d e c 、数字混音、1 2 c 、i 2 s 、s p i 、d m a 、u s b 设备控制器等进行了原理介 绍、端口说明并且借助e d a 工具编写r t l 代码并完成功能仿真。 最后介绍了芯片设计中的几种常用验证方法并重点研究了f p g a 验证方 法，包括f p g a 验证的作用及其流程介绍，本芯片f p g a 验证方案、f p g a 平 台的组成、验证系统原理说明、验证系统与实际运行环境差别分析等，对验证 过程中出现的代码规范化、时序约束等问题进行了分析和解决，并创新性的提 出了一种新的用于u s b 设备调试的方法。经过验证，关键数字模块功能正确， 验证结果基本符合设计规范的要求。 1 2 3论文的结构 第一章简述了u s b 音频控制芯片的研究背景、意义、国内外发展趋势、项 目来源、论文的主要工作以及各章节的主要研究内容。 第二章对当今芯片的设计方法和设计流程进行了介绍，重点介绍了自顶向 下的设计方法及可重用的设计原则，并对芯片设计流程中的各个阶段进行了简 要的说明。 第三章讨论了本芯片的设计规范、功能实现框图、u s b 音频拓扑结构、u s b 端点分配情况、模拟数字部分划分以及数字模块划分等。 第四章、第五章是本文的核心。第四章讨论了本芯片数字部分9 个关键功 能模块的原理、顶层框图、端口说明以及功能仿真的情况。 第五章讨论了本芯片的f p g a 验证，其中包括芯片设计中的几种验证方法、 使用f p g a 验证的意义及其验证流程、本芯片f p g a 验证系统的组成、验证结 果以及验证过程中所遇到的一些问题及其解决方案。 第六章总结了全文的研究成果，并对进一步的工作提出了一些建议和想法。 3 第二章设计方法和设计流程 第二章设计方法和设计流程 第一节集成电路简介 集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称i c 或芯片) ，是采用半导体制作工艺， 将晶体管、电阻、电容、二极管等电子元件按照多层布线或隧道布线的方式整 合在一块极小的单晶硅片上，并加以封装而形成的电路。由于集成电路的晶片 面积很小，因此载流子的运动距离较小，并且由于集成在一起，引线、焊点数 目都大为减少，使得系统的速度、功耗以及可靠性等方面都得到了很大的提升。 根据不同的应用领域，集成电路可分为通用集成电路和专用集成电路： 通用集成电路指大量生产并标准化的那一类集成电路。这样的集成电路成 本低廉，使用灵活方便，但是一般来说不能满足现代电子系统对特殊功能和特 殊技术指标的要求，因此聪明的人们又研究出了专用集成电路。 专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称a s i c ) ，是指 应特定用户要求或电子系统的需要而设计、制造的集成电路。a s i c 的问世， 使得电子系统的关键电路可以用一片或几片专用集成电路来实现，极大地提高 了系统的设计效率、性能、灵活性和通用性，具有较高的可靠性和保密性，减 小了系统的体积和重量，降低了功耗和成本。本文所研究的u s b 音频控制芯片 就是一款专用集成电路。 按照制作方式的不同，a s i c 可分为全定制和半定制两类： 全定制( f u l l c u s t o m ) 是指设计者使用版图编辑工具，从晶体管的版图尺 寸、位置及互连线开始亲自设计，以得到面积利用率高、速度快、功耗低的芯 片。这种方法需要设计者完成所有电路的设计，设计周期长、成本高昂，适用 于c p u 等大批量、高性能的a s i c 芯片的设计。 半定制( s e m i c u s t o m ) 又分为可编程a s i c 和掩模a s i c 两种。前者是指 由用户编程实现所需功能的专用集成电路，最具代表性的是f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) ；后者使用工艺库中的标准逻 辑单元( s t a n d a r dc e l l ) ，设计者可以从标准逻辑单元库中选择门电路、加法器、 比较器、a l u 、存储器、总线、乘法器、微控制器及各种i p 核等，这些逻辑单 4 第二章设计方法和设计流程 元已经布局完毕，而且设计得比较可靠，设计者可以较方便的完成系统设计。 半定制设计方法是一种简化设计、缩短设计周期、降低芯片成本、提高芯片成 品率的约束性设计方法，是目前a s i c 设计中的主流。本芯片就基于这种半定 制的制作方式，使用s m i c0 3 5 u r nc m o sm i x e rs i g n a l 的工艺库。 第二节设计方法 2 2 1自顶向下的设计方法 集成电路的设计方法可分为自底向上和自顶向下两种。 传统的集成电路设计方法采用自底向上的设计方法。设计者首先根据系统 的功能要求，从绘制硅片版图开始，逐级向上完成版图级、门级、r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e rl e v e l ，寄存器传输级) 、行为级、功能级直至系统级的设计。通常在 这个过程中，任何一级出现问题，都不得不重新返工。这种设计方法的特点是 必须首先关注并致力于解决系统中底层硬件的可获得性以及它们的功能特性方 面的诸多问题；在整个逐级设计和测试过程中，必须始终顾及具体目标器件的 技术细节。在这个设计过程中的任一时刻，底层目标器件的更换或某些技术参 数不满足总体要求，或者由于市场的变化，临时提出降低系统成本，提高运行 速度等不可预测的外部因素都可能使前面的工作徒劳。由此可见，自底向上的 设计方法是一种低效、低可靠性、费时费力且成本高昂的设计方法。 随着e d a 技术、硬件描述语言( 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 ，简称 h d l ) 、先进的a s i c 制造工艺、f p g a 技术的快速发展，集成电路的设计方 法发生了重大的变革，出现了一种自顶向下的设计方法。这种设计方法的主要 思想就是在整个设计流程中各设计环节逐步求精，设计者采用硬件描述语言对 芯片系统进行语言级的描述，而不是采用传统的逻辑图形式来设计系统。借助 于强大的e d a 工具，设计可以自动实现从高层次的语言级描述到低层次的电 路级的转换。这种自顶向下的设计方法改变了传统的设计方式，提高了芯片的 设计效率，降低了芯片的设计成本，是当今集成电路设计的主流。按照这种设 计方法，集成电路的设计可分为三个阶段：系统设计、电路逻辑设计、物理设 计【4 1 。 5 第二章设计方法和设计流程 2 2 1 1 系统设计 系统设计主要包括规范的制定、算法设计和架构设计等几个方面，主要内 容如下： 给出浮点和定点算法； 进行软硬件划分； 结构的并行性、流水线设计； 存储器分配。 2 2 1 2 电路逻辑设计 电路逻辑设计是将系统设计的算法、架构付诸于实现的过程。它又分为数 字设计和模拟设计两种。对于数字设计，使用硬件描述语言v e r i l o g v h d l 进行 r t l 设计，由综合工具生成网表；对于模拟设计，一般采用电路图与s p i c e 语 言的方式完成设计。 2 2 1 3 物理设计 物理设计是自顶向下的芯片设计流程的最后一步。物理设计得到的g d s i i ( g r a p h i cd a t as y s t e mi i ，图形数据系统) 文件被送到工厂进行生产。对于模拟 电路和有特殊要求的数字电路，采用定制的方法完成物理设计；对于一般的数 字设计，采用自动布局布线的方法完成物理设计。 2 2 2片上系统及可重用设计 如今，集成电路已进入深亚微米( v e r yd e e ps u bm i c r o n ，简称v d s m ) 阶 段，国外主流设计的特征工艺尺寸已达到9 0 n m ( 即半导体器件的最小尺寸为 9 0 n m ) ，单芯片可集成的晶体管数目已超过千万。如此巨大的集成能力，使得 在一块芯片上实现一个复杂的系统成为可能，从而出现了集成一个或几个处理 器、大容量内存、总线结构、外设和i o 的片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称 s o c ) 。与板级系统集成的方式相比，片上系统可以大大提高系统的性能和可 靠性，降低设备的重量和体积，满足系统高速度、低功耗、低成本和多媒体、 网络化、移动化的要求。 与此同时，由于面临上市时间以及设计复杂性提高的压力，过去那种先写 出所有模块的r t l 代码，再将这些子模块集成到一个共同的顶层模块下，最后 6 第二章设计方法和设计流程 全部打平后再进行综合的方法已不再适用，现在复杂芯片中最常用的设计方法 是采用可重用设计，即使用以前设计完成并且经过批量投片验证、1 0 0 功能正 确的、具有较好的通用性及移植性的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) 核进 行设计【5 j 【6 j 。 i p 核可分为硬核、软核和固核三种【l 硬核( h a r di pc o r e ) 是指经过预先布局布线并且不能由系统设计者修改的 i p 核，通常是g d s i i 格式，用户可以不加修改的直接使用，时序是收敛的，但 是它的可重复使用性最低，设计者不能进行任何改动，使用起来相当于库单元， 可能会给布局布线带来麻烦； 软核( s o t t i pc o r e ) 是可综合的r t l 代码形式，可重复使用，可以加以修 改，灵活性高，不依赖实现工艺，可以方便的映射到指定的工艺中去，但是存 在开发周期长的缺点； 固核( f i r mi pc o r e ) 则是r t l 代码综合以后带有布局规划信息的网表，其 易用性介于硬核和软核之间。当前a r m 和m i p s 等处理器生产厂家是最主要 的i p 收入创造者【8 】。 可重用设计方法可以有效的控制设计成本、缩短设计周期并且提高产品质 量。目前i c 设计人员面临的主要挑战已经不是是否有必要采用可重用设计方 法，而是如何使用可重用设计方法使得设计过程更加高效。本芯片设计中就采 用了可重用设计方法，比如所使用的高性能8 0 5 1m c u 以及u s b 2 0 全速控制 器模块都是可以重用的软核。 第三节设计流程 本芯片是一款数模混合芯片，但由于本人的工作主要集中在数字部分，因 此在这里主要介绍一下典型的基于自顶向下设计方法的数字i c 设计流程9 1 ，如 图2 1 所示。 7 第二章设计方法和设计流程 y e s 物理验证 d r cl v s 流片 t a p eo u t m a t l a b ，v e r i l o g a ， s y s t e m c ，s y s t e m v e r i l o g 图2 i 数字i c 设计流程 8 鄱 蒜 第二苹设计方法和设计流程 下面对数字i c 设计流程中的各个阶段进行简要的说明： 1 ) 市场调研 市场人员进行市场调研，根据市场情况确定产品定位，帮助设计者决定产 品的设计规范。这部分工作往往被轻视，盲目的追求性能指标而对市场没有进 行分析和判断从而导致项目失败的案例比比皆是。合理的市场定位关乎产品的 成败，因此在设计一款i c 之前一定要将市场调研工作做充分。 2 ) 设计产品规范 产品规范包括：电路功能、架构选择、算法设计、时钟策略、面积、功耗、 信噪比、直流特性、交流特性、工艺选择、封装形式、模块划分、模块复用、 接口时序以及验证策略等。规范的定义必须严格准确，可以使用m a t l a b 、 v e r i l o g a 、s y s t e m c 、s y s t e m v e r i l o g 等工具或语言来辅助设计。 这部分是i c 设计的核心，全面且科学合理的产品规范可以使芯片设计事半 功倍。 3 1 编写r t l 在完成之前的准备工作后，开始进行r t l 代码的编写。在编码过程中需要 反复仔细阅读产品规范、采用良好的编码风格、划分好设计的结构、与项目组 其他成员进行有效的沟通、统一进行版本控制、给出设计文档，将各个模块用 框图表示出来。 好的时序是设计出来的，不是仿出来的，也不是凑出来的，因此在编码时 要遵循良好的代码设计风格。爱因斯坦曾说过：“现在得到很好的答案通常比 以后得到更好的答案会更好；尽可能把一切事物变得最简单，而不是简单一点。” 为了今后验证以及综合时得到令人满意的结果，这个阶段多花点时间是绝对值 得的。 4 ) 编写t e s t b e n c h 仿真r t l 建立测试平台，仿真r t l 代码，验证功能上是否正确。编写t e s t b e n c h 需 要很高的技巧，输入激励应该能够完整的测试出设计的功能。因此要尽可能提 高测试平台的代码覆盖率，并且提高仿真的效率。与3 ) 合称前仿，其目的是验 证设计功能的正确性。通常使用c a d e n c e 公司的n c v e r i l o g 、s y n o p s y s 公司的 v c s 等仿真工具。 9 第二章设计方法和设计流程 5 ) f p g a 验证 在i c 设计中，需要大量的验证工作。在r t l 设计完成后，用相应的综合 工具将其综合成网表，将延时信息反标到网表，进行时序仿真，如果没有错误， 则将网表文件下载到f p g a 中进行调试，借助f p g a 开发工具调试代码，寻找 问题，并且提高软硬件的协作能力。通常使用a l t e r a 的q u a r t u si i 及x i l i n x 的 i s e 等集成开发环境，该部分将在后面的篇幅中作详细介绍。 6 ) 综合 综合是使用芯片制造商提供的或者自己设计的基本逻辑单元实现从r t l 代码到门级网表的转化，并满足设计者提出的面积和时序要求，完成从转译到 优化再到映射的一系列转化过程。比较流行的综合工具是s y n o p s y s 公司的 d e s i g nc o m p i l e r 。 乃r t l 与门级的形式验证 比较r t l 级的设计和它综合后的门级网表在功能上是否一致。与事件驱动 的模拟器相比，形式验证能更快验证出两个设计在功能上是否相同。不需要任 何输入矢量并且摆脱了工艺的约束，可以带来更短的验证时间，更完全的验证 结果。比较流行的形式验证工具为s y n o p s y s 公司的f o r m a l i t y 。 8 ) 布局布线前的静态时序分析 静态时序分析( s t a t i ct i m i n ga n a l y z e r ，s t a ) 是检查i c 设计时序是否满 足要求的主要手段。它提取所有时序路径，根据网表中各节点的负载，利用综 合库中各单元的延时查找表，计算出单元延时及连线延时，从而判断是否存在 建立及保持时间违例。这种方法不需要依赖激励，运行速度快，节省时间，降 低了成本，分析时需要输入网表、综合库、时序约束。比较流行的静态时序分 析工具为s y n o p s y s 公司的p r i m e t i m e 。 9 ) 顶层规划、布局布线 满足布局布线前的时序要求以后，开始进入后端设计。 顶层规划( f l o o r p l a n ) 为各个模块分配相应的位置，考虑电源和引脚方案， 目的是使芯片的面积和延时最小。布局( p l a c e ) 主要定义各元件的位置及相关 连线，需要注意信号的干扰，缩短信号线长度，减少耦合电容，减少芯片面积。 然后进行扫描链( s c a nc h a i n ) 的优化，降低布线( r o u t e ) 的复杂性。由于时 钟是设计中最重要的信号，因此在布线时要首先布时钟线，插入时钟树( c l o c k t r e e ) 进行时钟树综合，最后进行布线操作。 1 0 第二章设计方法和设计流程 l o ) 后仿 顶层规划、布局布线后，将连线延时信息加入到网表中，进行后仿来验证 电路的时序是否仍然正确。 1 1 ) 布局布线后的静态时序分析 在此阶段除了输入网表、综合库、时序约束等内容外还需要输入寄生参数 文件，该文件包含了由版图提取的网表中各节点的寄生电容和寄生电阻等信息。 12 ) 物理验证d r c l v s d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k e r ，设计规则检查) 检查所设计的版图是否符合 工厂给出的版图设计规划。 l v s ( l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ，版图和原理图对照) 检查版图级的实现是 否与门级网表一致。通过l v s 可以发现版图工具的错误或者人为对版图进行修 改而导致的错误。 1 3 ) 流片 在各项物理验证满足要求后，就可以去工艺制造厂流片了。值得注意的是 要特别重视在去流片之后和拿到样片之前的这段时间。在这段时间中，要详细 制定测试方案，建立好测试所需要的软硬件环境，评估测试中可能会出现的情 况并制定出相应的解决方案。最后，流片完成后就可以根据测试策略对样片进 行测试了。各项指标测试无误后根据市场情况就可以进行大规模的量产了。 第三章u s b 音频控制芯片系统设计方案 第三章u s b 音频控制芯片系统设计方案 第一节设计规范 在一款芯片的设计之初，需要根据市场情况确定其产品定位，帮助设计者 决定产品的设计规范( s p e c i f i c a t i o n ) 。本芯片的设计规范如下： 符合u s b2 0 全速( f u l ls p e e d ) 传输规范 符合u s ba u d i od e v i c ec l a s s1 0 规范 支持u s b 的挂起( s u s p e n d ) 恢复( r e s u m e ) 模式以及支持远程唤醒 完整的s i e ，包含完整的物理层和协议层 单晶振1 2 m h z 输入，片内集成p l l 以及u s bp h y 支持s p e a k e r 和h a n d s e t 两种模式，由外部管脚来控制 对于h a n d s e t 模式，u s b 音频功能拓扑图包括2 个输入端口，2 个输出端口， 1 个混音单