（微电子学与固体电子学专业论文）ip芯核设计和验证技术的研究.pdf

i p 芯核设计和验证技术的研究 摘要 随着科技的发展，半导体工艺制程进入超深亚微米时代，在一个小小芯片 上集成上百万甚至上亿个晶体管成为现实。集成技术的飞速发展使得 i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计与制造业引起了一股整合潮流，系统芯片( s o c ， s y s t e mo nac h i p ) 是当前技术发展的必然趋势，现在任何芯片厂商都以面积最 小化、功能最大化为自己的发展方向。s o c 的出现带来诸多优点的同时，也给 电路设计和验证带来新的挑战。 本论文以微控制器软核设计和验证为例，重点研究s o c 总线架构技术、i p 核集成和重用技术、s o c 验证技术。论文的主要工作和成果如下： 1 论文讨论了s o c 的设计和验证方面的关键技术。文中详细讨论了s o c 的设计和验证的挑战，i p ( i t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核集成和重用技术，验证 i p 的重用技术以及功能验证自动化。 2 论文设计了一个八位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 i n g ) 微控制器 软核，该软核是s o c 。文中首先描述了该软核的体系结构，指令集设计， 时序规划和流水线设计；然后详细描述各功能模块的设计。 3 论文分析了a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c m ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 电路常用验证 技术，比较了a s i c 和s o c 验证技术的异同点，突出s o c 验证技术更关 注i p 核间通讯接口的验证，并根据s o c 规模大和复杂度高的特点，提 出构建一个具有可重用性和一定的自动化特性的集成化验证环境。 本文设计的微控制器软核符合v s i a i j i a n c e 全部i p 标准和规范，设计中突 出层次化总线结构和接口标准化的特点。构建的集成化验证环境对微控制器软 核进行了验证，结果表明它比传统单一验证技术效率高，并达到了可重用性和 自动化的指标要求。 关键词：系统芯片 i p 芯核 微控制器验证平台总线功能模型 r e s e a r c ho ni p c o r ed e s j g na n dv e r i f i c a t i o n - i e c h n i q u e a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m to f8 c i e n c e 趾dt e c l l n o l o g y s e i n i c o n d u c t o rm a n u f a c 嘶n g p r o c e s se n t e r si n t ov 田d e e ps u b - m i c r o n 啪i ti sp o s s i b l em a ti n t e 掣a t e sm o r em a i l i n i l l i o n 缸锄s i s t o r si i l t oas i n g i ec h i p i c ( h l t e 舯c c dc i r j 。u i t ) d c s i 弘i i l d u s t 叮a n d m 锄埔虻t i l r i i l gt r e n dt oi n t e 铲a c cw i t l lt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n t e 掣a t i n gt e c h n o l o g y ，a n d s o cb e c o m e st l l em a i n 扛d n o w 鲥i a y sc l l i pv e n d o f sa i l i l a ta ”am i l l i m i z a t i o n 跚d 矗m c t i o nm a ) 【i i n i z a 蛀o n bd c s p i t eo fs o cb e i n gp r o v i d c d 诚1 1 1l n a l l ym e r i t s ，m u c hn c w c h a l l e n g eo f i cd e s i 辨a n dv e r i f i c a t i o ni sb r o u g h tb y i t t h et 1 1 e s i sd i s c u s s e ss o cb u sa r c h j t e c t i l r e ，血ei n t e 伊a t i o na 1 1 dr e u s eo f 毋a 1 1 ds o c v c r i f i c a t i o nm e m o d s m i c r o c o n 的l l e rs o f t 球d e s i 印a n dv 谢f i c a t i o ni s 百v e na sa 印i c a l e x 锄d 1 e t h em a i nw o r ka l l da c h i e v 锄e n t sa r e a sf - 0 l l o 、v s ： 1 t h et h e s i si n 廿o d u c e st 量1 ek e yt e c h n i q u eo fs o cd e s i 弘a i l dv e r i f i c a t i o n t h e c h a l l e n g eo fs o cd e s i 弘a n dv e r i a t i o n ，t h ei n t e 莎a t i o na n d r e u s eo f 碑c o r e ，t h e r e u s eo fv e r i f i c a t i o ni pa n df i l n c t i o nv e r i f i c a t i o na u t o m a t i o na r ed i s c u s s e di n d e t a i l 2 a8 _ b i tm s cm i c r o c o n n 0 1 1 e rs o f t 疋i sd e s i 印e d ，d l i c hb e l o n g st os o c f i r s t 1 e 幽i t e c t l l r e ，i n s 嗽t i o ns e td e s i 留a n d 畦商n g 鞠dp i p e l i n ed e s i 印o f 世l es o 囊口 a r ed e s c i j b e di 1 1d e t a j l s e c o n de a c h 缸l c t i o n a lm o d u l ed e s i 朗i si n 加d u c e d ， 3 s o m ev e r i f i c a t i o n 珊o t l l o d s ，u s c di na s i cc i r c u i t sl l s u “ly ，a r ea i l a l y z e d ，w h i c ha r e c o m 口a r e dw i t hs o cv e r i f i c a t i o nm e t l l o d s 8 0 cv c r i f i e a t i o ni sm o r ef o c u s e do nt l l e i n t e r f 如eb e t w e e n 口c o r e s c o n s i d e r i n gs o cs i z ea n dc o m p l c x i t y ，av e r i f i c a t i o n p l a t 矗) mo fr e u s ea n da u t o m a t i o ni sd e s i g n e dt or e d u c em ec o i n p l e x i t yo fs o c v e r i 行c a t i o n t h es o f tma c t si na c c o r d a n c ew i 也v s n ( n u a ls o c k c th t e r f a c ea l l i a l l c e ) c r i t e r i o n ， a i l dh i e r a r h yb u sa r l di n t e 血c es t a n d a r d i z a l i o na r ec h 锄峙t c r i s t i co ft h cs o f 【毋w h i c hi s v 鲥f i e do nt h ev 鲥f i c a t i o np l a t f 0 衄m e n t i o n e d 百b 0 v ep a r a 伊a p h s a sar e s u l t ，t h el a t t c ri s m o r ce m c i e n tt h a r lt r a d i t i o n a lv e r i f i c a t i o nm e m o d ，a n da c m e v e st h eo b j e c t i v eo fr e u s ea i l d a u t o m a t i o n k e yw o r d ：s y s t c mo n ac h i ppc o r e m i c r o c o n t r 0 1 1 e r v e r i f i c a t i o np l a t f o 肌 b u sf u n c t i o nm o d e l 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 麦1 声留 l 似氓0 1 数援 弘以刁 导师： b m 少 ，舢 呷 矿认 南陧 踅 诖堇 虱 主 委 插图清单， 图1 1 集成电路产业的三次分工2 图1 2 集成电路设计自动化的各阶段3 图1 3 集成电路设计与仿真验证关系7 图1 4s o c 典型结构8 图2 1 层次化片上总线结构1 3 图2 2c o r c c o n n e c t 体系结构1 4 图2 3a m b a 总线体系结构1 5 图2 4w i s l l b o n e 总线体系结构1 6 图2 5 口核标准化体系2 0 图2 6v c i 点对点互连2 l 图2 7v c i 的总线封装连接2 2 图2 8d 经封装后集成到片上系统总线中2 3 图2 9 带缓冲区的总线协议转换示意图一2 3 图3 1h g d 0 8 r 0 2 微控制器系统框图2 5 图3 2 指令流水线结构图2 5 图3 3h g d 0 8 r 0 2 芯核结构框图2 6 图3 4 指令存储器结构2 8 图3 5 指令节拍时序3 0 图3 6 转移指令处理流程3 3 图3 7 硬连线逻辑控制器结构3 4 图3 - 8 控制模块结构图3 4 图3 9 译码“与或”阵列3 7 图3 1 0 节拍状态机示意图3 8 图3 - 1 1p c 模块结构4 0 图3 1 2a l u 结构图4 1 图3 一1 3m u x 字节组织4 4 图3 1 4 系统总线指令数据基本读操作时序4 4 图3 1 5 带等待状态的读操作时序4 5 图3 1 6 基本写操作时序4 6 图3 1 7 带等待状态的写访问操作时序4 7 图3 1 8 总线桥电路结构图4 9 图3 一1 9 外设口选择模块框图4 9 图3 - 2 0 控制模块状态转换图5 l 图3 2 1s p i 的互连及传输图5 3 图3 2 2c p h a = o 时s p i 总线数据传输时序5 6 图3 2 3c p h a = 1 时s p i 总线数据传输时序一5 6 图3 2 4s p i 模块接口地址解码与使能信号的生成5 7 图4 1 快速样机环境6 1 图4 2 自顶向下( t o p d o 、n ) 的设计与验证6 2 图4 3 自底向上( b o 仕o m u p ) 的验证6 3 图4 4 基于平台的验证环境6 4 图4 5 系统接口驱动的验证环境6 4 图4 6 测试平台6 5 图4 7 舳a 总线读，写操作事务6 6 图4 8 事务到信号的转换6 7 图4 9b f m 面例6 8 图4 1 0 a s b 总线监视器原理6 9 图4 1 1m o 血o r 示例7 0 图4 1 2 自动响应比较7 0 图4 1 3 建立文件示例7 1 图4 - 1 4 工具目录7 3 图4 1 5 系列目录7 4 图4 一1 6 模块目录7 4 图4 1 7 运行环境工作目录7 5 图4 一1 8 主模式下访问外设状态转换波形7 7 图4 - 1 9 主模式下访问外设节拍控制波形7 7 图4 2 0 从模式下外设s p i 作为从设备的传输波形( 一) 7 8 图4 2 0 从模式下外设s p i 作为从设备的传输波形( 二) 7 8 图4 2 l 从模式下外设s p i 作为主设备的传输波形7 9 表格清单 表1 1 集成电路技术及发展规律1 表1 2 “自顶向下”和“由底向上”设计5 表2 12 0 0 3 年全球m 内核市场营业额1 9 表2 2 国际上主要邛联盟和组织1 9 表3 1 数据存储器地址安排2 9 表3 2 主要特殊寄存器地址安排2 9 表3 3 控制模块的信号说明3 5 表3 4 指令码与控制信号关系的真值表3 6 表3 5 系统总线信号说明4 1 表3 6 传输码编码4 3 表3 7 传输尺寸编码4 3 表3 8 读写操作接口要求4 3 表3 9 系统总线信号与外设总线信号比较4 7 表3 + 1 0 端口编码5 0 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及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金目b 王些太堂 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谢意。 学位论文作者签名：彳积争 签字日期：沙脾牛月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月b 王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒g b 王些 烂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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：种 签字日期：训0 3 年畔月1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：叫坞 签字日期：厦面年中月日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师叶兵副教授、高明伦教授的悉心指导下完成的。叶老师和 高老师不仅学识渊博、治学严谨，而且待人诚恳，平易近人。两位老师对科学 的严谨认真的态度和高尚的品德，都是我学习的楷模，必将使我终身受益。衷 心感谢导师的培养、支持和教诲! 近三年来，叶老师、高老师和潘剑宏老师在 我的学习、科研和管理工作方面给予了精心的指导，在生活方面给予了充分的 关心和爱护，在此表示衷心的感谢i 感谢合肥工业大学微电子设计研究所王锐老师、胡永华老师、邓红辉老师 和刘聪老师的热情帮助；感谢杜高明、孙海平和程作仁博士以及齐海鹏、刘晓 稳、马友花、张珍和付昱在课题研究中的辛勤工作：感谢杜艳英和林微给予的 支持和帮助；感谢微电子设计研究所全体成员陪我度过美好的两年多时光。 特别感谢我的父母所给予我学业和生活上的关心、帮助和支持。 感谢文中引用过文献的所有作者们，感谢所有关心、支持和帮助过我的老 师、同学和朋友! 作者：何叶东 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 集成电路的发展 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室的巴丁( b a r d e e n ) 和布莱登( b r a t t a i n ) 发明了 半导体点接触式( p o i n t c o n t a c t ) 晶体管，接着在1 9 4 9 年肖克莱( s h o c k l e y ) 发表了关于p n 结和双极型晶体管的经典论文。当时所用半导体材料是锗，又 经过数年的努力突破了从随处可得的沙砾中提炼半导体材料硅单晶的技术，从 而开创了人类的硅文明时代。最初晶体管和电视等其他元件都是零散地放在电 路板上，通过导线连成电路。直到1 9 5 2 年英国的g d u m m e r 首先提出集成电路 的设计思想，美国德州仪器公司擅长电路设计的基尔比工程师1 9 5 8 年9 月将5 个元件( 其中四个晶体管) 做在一块1 2 厘米长的锗单晶片上，实现了人类第 一块集成电路( 也有说法1 9 5 8 年仙童公司的诺宜斯发明了第一块集成电路) 。随 着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和m o s 型两种重 要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质 的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成 电路产业。随后集成电路发展极为迅猛，从s s i ( 小规模集成电路) 起步，经 过m s i ( 中规模集成电路) ，发展到l s i ( 大规模集成电路) ，然后发展到现在 的v l s i ( 超大规模集成电路) 及最近的u l s i ( 特大规模集成电路) ，甚至发展 到将来的g s i ( 甚大规模集成电路) ，届时单片集成电路集成度将超过1 0 亿个 元件。多年来集成电路的增长速度基本按i n t e l 公司创始人之一g o r d o n e m o o r e 1 9 6 5 年所预言的那样：集成电路芯片上的晶体管数量每l8 个月将增加倍， 性能增加一倍i 】【2 】。表1 1 是集成电路技术及投资发展规律。 表1 1 集成电路技术及发展规律 顶目i 面一1 丽r 再石j 未生兰乇面i i 而_ 五而 d n a l i 篓成瘦m1 6 i6 4 m2 ，6mic4 i ：1 6 t j0 4 i ：2 5 6 ： 投磺，i 己关元1 0 1 72 咛5 1 1卧1 4 5茔o ) ， 硅片直经，n 2 岫2 3 3 岫4 0 l 】4 c j ( )，5 啪 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今4 0 多年 以来，整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统( s o b s y s t e m o n - b o a r d ) 到片上系统( s o c ，s y s t e m o n - a c h i p ) 的过程。在这历史过程 中，世界i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结 构经历了三次变革口j 【4 儿”。( 图1 1 标识了集成电路产业三次分工) 第一次变革：以加工制造为主导的i c 产业发展的初级阶段。 7 0 年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。 这一时期i c 制造商( i d m ，i n t e g r a t e dd e v i c em a n u f a c t u r e r ) 在i c 市场中充当 主要角色，i c 设计只作为附属部门而存在。这时的i c 设计和半导体工艺密切 相关。i c 设计主要以人工为主，c a d 系统仅作为数据处理和图形编程之用。i c 产业仅处在以生产为导向的初级阶段。 第二次变革：f o u n d r y 公司与i c 设计公司的崛起。 8 0 年代，集成电路的主流产品为微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 及 专用i c ( a s i c ) 。这时，无生产线的i c 设计公司( f a b l e s s ) 与标准工艺加工 线( f o u n d r y ) 相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。 第三次变革：“四业分离”的i c 产业 9 0 年代，随着i n t e r n e t 的兴起，i c 产业跨入以竞争为导向的高级阶段， 国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以 d r a m 为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1 9 9 0 年，美国以i n t e l 为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃d r a m 市场，专注 于通用c p u 领域，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体 霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个 i c 产业发展，即使象i n t e l 这样具有强大实力的公司也不可能同时在两个领域 有所作为。于是，i c 产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设 计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面，同时在每一行业内部进一步 分工，以设计业为例，在经历与加工业分离( 设计f a b l e s s 与加工f o u n d r y 分离) 之后，进一步将i p 设计从设计中分离出来，完成c h i p l e s s 与f a b l e s s 的分工， 产生了专门从事i p 设计的公司，特别是本世纪以来片上系统技术( s o c ) 的迅 速发展，加速了这一进程。 图1 1 集成电路产业的三次分t i p c h i p 1 2 集成电路设计与验证技术的发展 1 2 1 集成电路设计方法和工具的变革 随着集成技术的不断发展和集成度的迅速提高，集成电路芯片的设计工作 越来越复杂因此急需在设计方法和设计工具这两个方面有一个大的变革。各 种计算机辅助工具的出现以及设计方法学的诞生正是为了适应这样的要求。 过去3 0 多年来电子系统( 集成电路) 设计自动化e d a ( e l e c t r o c s y s l 。m d e s i g na u t o m a t i o n ) 技术的发展，大致可分为三个阶段，如图l 一2 所示引。 j q ；三悠监达墨丝自费他 7 0 年代计算机辅助设计 图1 2 集成电路设计自动化的各阶段 7 0 年代的第一代e d a 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，硬件采用1 6 位小型机。那 时的逻辑图输入、逻辑模拟、电路模拟与版图验证是分别进行的，设计工程师 需要对两者的结果进行多次的比较和修改才能得到正确的设计。第一代c a d 系统的引入使设计人员摆脱了繁杂、易于出错的手工画图、机械刻红膜的传统 方法，大大提高了设计效率，因而得到了迅速的推广。但是它仍不能适应规模 较大的设计项目，而且设计周期长、费用高。有时在流片后才发现原设计存在 错误，不得不返工修改，其代价昂贵。 8 0 年代出现了第二代e d a 系统，常称为计算机辅助工程 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 ) 系统。它以3 2 位工作站为硬件平台。它集逻 辑图输入( s c h e m a t i ce n t r y ) 、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。设计工程师以输入线 路图的方式开始设计集成电路工作，并在工作站上完成全部设计工作。它不仅 有设计全定制的电路版图编辑工具还包括有门阵列、标准单元的自动设计工 具和具有经过制造验证的、针对不同工艺的单元库。对于门阵列、标准单元等 电路，系统可完成自动布局和自动布线功能，因而大大减轻了版图设计的工作 量。在c a e 系统中，更重要的是引入了版图与电路之间的一致性检查( l v s ， l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) 工具。此工具对版图进行版图参数提取( l p e ) 得到 相应的电路图，并将此电路图与设计所依据的原电路图进行比较，从而可以发 现设计是否有错。同时还将l p e 得到的版图寄生参数引入电路图，做一次电路 模拟，以进一步检查电路的时序关系和速度，在引入这些寄生参数后。是否仍 符合原设计要求。尽管这些功能的引入保证了流片的一次成功率，但是一致性 检查和随后的模拟仍是在设计的最后阶段才进行的，因而如果一旦发现错误， 还需修改版图和电路，这仍需付出相当大的代价，尽管这已可以避免流片的损 失。 进入9 0 年代，芯片的复杂程度越来越高，数万门以至数十万门的电路设 计的需求越来越多。单是依靠原理图的输入方式已不堪承受，采用硬件描述语 言h d l ( h a r d w a r ed e s c f i p t i o n1 8 i l g u a g e ) 的设计方式应运而生，设计工作从行为、 功能级开始，e d a 向设计的高层次发展。这样就出现了第三代的e d a 系统， 其特点是高层次的自动化。 在第三代e d a 系统中，引入了硬件描述语言，一般主要采用v h d l 语言 和v e r i l o gh d l 语言：此外还引入了行为综合和逻辑综合工具。采用较高的抽 象层次进行设计，并用层次化方法进行管理，这可以大大提高处理复杂设计的 能力，设计所需的周期也大幅度缩短；综合优化工具的采用使芯片的品质如面 积、速度以及功耗等获得了优化，因而第三代e d a 系统迅速得到了推广。 高层次设计与具体加工工艺库无关。用h d l 语言描述的设计可以通过逻 辑综台工具综合为一个现场可编稷门阵列，即f p g a 电路，也可综合成某一工 艺所支持的专用集成电路，即a s i c 电路。h d l 原码对于f p g a 和a s i c 是完 全一样的，仅需要更换不同的工艺库重新进行综合。此外，由于工艺技术的进 步，需要采用更先进的工艺时，如0 1 8 m 技术改为o 1 3 “m 技术时，也可利用 原来所书写的h d l 原码。( 这里不考虑由于技术的进步设计方法学及算法的改 进) 1 2 2 集成电路层次化设计方法及设计流程 对于功能目趋复杂、规模急剧增加的集成电路，一般采取层次化设计策略。 它的基本思想是将复杂的系统按功能分解成可以独立设计的子系统，各子系统 设计完成后，将它们拼接成一个完整的系统，最终完成整个设计。层次化设计 方法具有降低设计的复杂度、提高设计的并行性等优点。曲于各子系统可以单 独设计，因而具有局部性，也就是说各子系统的设计与修改只影响到其自身， 不会影响其它子系统。结构设计采用层次化( h i e r a r c h y ) 、模块化( m o d u l a r “y ) 、 规则性( r e g u l a r i t y ) 以及局部性( 1 0 c a i i t y ) 等技术，大大降低了设计的复杂性 【6 1 。 利用层次化设计策略，可以将一个系统划分成若干个子系统，各子系统可 以进一步划分成更小的子系统，重复这一过程，直到单个子系统的复杂性达到 了在细节上可以理解的适当程度。利用规则性可以将具有相同结构的单元排成 阵列，简化设计过程。规则性可以出现在设计的各个层次上，如电路级，可以 4 采用相同的晶体管；门级，可以采用同一种门结构或宏功能模块。利用规则性 设计的芯片可以通过结构的重复性来判断设计是否正确。在确定了模块的特征 界面后( 如接口特性) ，模块内部结构与其它模块无关，模块具有局部性，简 化模块间的影响，降低单个模块的设计复杂性。 此外，系统分解后，各子系统、各模块具有局部性，可以交给不同的设计 组同时进行设计，这将有利于提高设计的并行性，大大节省设计时间，缩短设 计周期，缩短产品的面市时间( t t m ，t i m e t o - m a r k e t ) 。 集成电路设计通常分为正向设计与逆向设计两大类。正向设计通常用来实 现一个新的设计，而逆向设计是在剖析别人的设计的基础上进行修改或改进。 在这两大类中又可分为“自顶向下”( t o p d o w n ) 和“由底向上”( b o t t o m u p ) 不同步骤，表1 2 描绘了这种设计步骤【3 】。 表1 ，2 “自顶向下”和“由底向上”设计 步骤 方心 自顶向下 由底向上 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 版图设计系统设计 版图解析版倒解析 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 在“自顶向下”的正向设计中，首先需要进行行为设计，要确定该芯片的 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， 将其分解为接口清躜、相互关系明确的、尽可能简单的子系统，得到一总体结 构。这种结构可能包括有算术逻辑运算单元、控制单元、数据通道、各种算法 状态机等。接着将结构转化成逻辑图，即进行逻辑设计。明显同一功能块可阻 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 用已经过实践检验的逻辑单元或模块。下一步进行电路设计，迸一步将逻辑图 转化成电路图。一般情况下，在这步需要进行硬件仿真，以确保逻辑设计的 正确性。最后进行版图设计，将电路图转化成版图。 对于“由底向上”的正向设计，是在系统划分和分解的基础上先进行单元 设计，在精心完成单元设计后逐步向上进行功能块、子系统设计直至最后的系 统合成。 对于逆向设计，无论是“自顶向下”还是“由底向上”，都开始于版图解 剖、电路提取和功能分析，然后分成不同的步骤处理。 在实际的工程中，往往结合正向设计和逆向设计，从逆向设计中积累经验， 指导正向设计；同时只有实行正向设计才能在原有基础上实现技术进步，推动 芯片设计技术的不断发展。 1 2 3 集成电路验证技术 随着集成电路设计自动化程度的提高，集成电路规模不断加大，结构日趋 复杂，尤其对于功能结构复杂的系统芯片( s o c ) ，如何在设计的前期阶段就能 消除设计功能的缺陷( b u g ) ，保证一次流片成功率，节约流片成本，加快芯片 面市时间( t t m ) ，是设计者必需面对并要妥善解决的关键问题。 验证( v e r i n c a t i o n ) 就是解决手段之一，它是发现设计缺陷，确保设计成 功的重要措施。来自s y n o p s y s 公司的一项近来的调查表明 7 】，当前集成电路 一次流片成功率只有3 5 ，而导致流片高失败率的原因，有7 0 是由于功能 错误，尽管这些错误原本可以通过更加完善的功能验证来避免。集成电路的投 片生产可谓一掷千金，一丝一毫的设计差错所造成的损失都是难以承受的。但 就设计方法学而言，错误是在所难免的。实践证明，以现在的计算机技术，如 果在投片生产之前对设计结果进行计算机仿真，由此找出设计错误，对通常规 模的芯片设计基本上可以做到万无一失。有人说用e d a 工具设计电子系统的 过程，就是仿真的过程，这是因为一个项目的仿真时间要占整个设计时间的7 0 左右。 我们在解答数学题的时候，可以通过严密推理论证说这道的解答我有1 0 0 信心是对的，但是对一个设计的验证。我们无法保证该设计在交给用户使用后 不会出现任何问题。这是因为在芯片的设计和制造过程中，有许许多多难于预 测或者难以考虑周全的因素，如制造误差概率、用户使用环境等。因此在芯片 交付使用之前的验证工作就显得尤为重要。因为验证工作的本身就是将各种各 样可能出现的情况模拟出来，通过各种手段施加在我们的设计上，看我们的设 计是否符合预期的目标。可以说，我们设想到的情形越周全，我们对设计成功 的信心也越高。因此，一个设计的验证工作，再怎么多，也不为过。 集成电路的验证贯穿整个设计的全过程，图1 3 描述了设计与验证的对应 关系。集成电路的验证方法主要有动态模拟、静态验证技术、形式化验证以及 物理验证与分析【8 】i ”。 动态模拟技术包括：基于事件和基于周期的模拟，基于事务的仿真，代码 覆盖率分析，数模混合模拟，软硬件协同验证以及加速技术。后者主要有硬件 模拟、快速样机原型系统、硬件模型器以及硬件加速器。这些技术一般都要求 有验证平台和环境，并且需要对设计施加激励。 静态验证技术包括：静态时序分析和l i n t 静态检查。它们都不需要验证平 台和激励向量，前者检查设计时序是否满足规范及工艺要求，因为每一个存储 元件、触发器和锁存器都有时序要求，主要是建立时间( s e t u pt i m e ) 、保持时 间( h o l dt i m e ) 以及各种延时时序要求：后者主要检查语法和句法错误。 形式化验证技术主要包括：理论论证技术、形式化模型检查以及等价性检 查。 物理验证和分析是指在设计进入深亚微米( d s m ，d e e ps u b m i c r o n ) 后， 原来在线宽较大时不用考虑的寄生效应变得突出：原来可以忽略的线延时变得 突出，甚至超过门延时，在整个延时中占据主要部分。这时需要解决互连延时 时序、信号完整性、串扰、电势降( i rd r o p ) 、电迁移、功耗分析、天线效应 等问题。 图1 3 集成电路设计与仿真验证关系 l _ 3s o c 技术现状与挑战 1 3 1s o c 概念 随着科技的发展，半导体工艺制程进入超深亚微米时代，在一个小小芯片 上集成上百万甚至上亿个晶体管成为现实。集成技术的飞速发展使得i c 设计 与制造业引起了一股整合潮流js o c 是当前技术发展的必然趋势，现在任何芯 片厂商都以面积最小化、功能最大化为自己的发展方向。a m d 、i n t e l 、s i s 、 v i a 等世界著名芯片厂商都投入了不少精力和人力，希望自己能在未来的市场 竞争中立于不败之地。此外为了迎接s o c 给电子系统设计带来的挑战，国际上 已积极展开相关的研究工作。从近期的i e e e ，a c m 重大国际学术会议及相关重 要国际学术刊物上可以看到，有许多针对s o c 研究的相关论文。另外，己举行 了十几届的i e e ea s i c 国际学术年会也已开始关注s o c 设计技术，从1 9 9 9 年 起该会议更名为i e e e a s i c ，s o c 学术年会，会议内容从以往传统的专用集成电 路设计转向面向s o c 系统设计需要的关键技术研究【旧儿】。 s o c 是英文s y s t e m 。o n c h i p 的缩写，可以译为片上系统或系统芯片，此概 念是2 0 世纪9 0 年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的 一些系统性能提升问题，通过嵌入式系统为核心，提高芯片集成的系统功能以 获得更高的系统性能。s o c 与过去的电子系统刚好形成了鲜明的对比，以前一 个完整的电子系统往往由许多不同的芯片构成，每个芯片分别负责不同的功 能，不同芯片间实行板上互连。然而现在加入系统集成技术后，同样的电子系 统只需要一块芯片，便可以实现从前需要多块芯片同时工作才能实现的功能。 s o c 就是将微处理器、模拟i p 核、数字i p 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单一芯片上，图1 4 是其典型结构框图。它通常是客户定制的( c s i c ) ， 或是面向特定用途的标准_ 产品( a s s p ) 。 s o c 是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多 优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效 的可能性，有利于板卡的性能改善( 由于片内连线缩短) ，降低风冷要求，减少 系统开发商成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信息家电等。 图1 4s o c 典型结构 1 3 2i p 核技术及其在s o c 中的重要性 i p ( i n t e l 】e c t u r a lp r o p e r t y ) 在业界常称作知识产权模块。它是殁先设计好的电 路功能模块。今天i p 模块的集成规模已经达到系统级的水平，按照a s i c 设计 方法学的要求已经需要完成行为( 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 i ) 三 个设计域( d e s i g n d o m a i n ) 的设计，因此，这些模块子系统也就在三个层级上 分别成为了软i p ( s o f ti p ) 、固i p ( f i m li p ) 和硬i p ( h a r di p ) ： 软i p 只完成r t l 级的行为设计，以硬件描述语言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 一定是优化的行为域设计，与其他设计相比它所需的硬件开销最小。 软i p 的优点是有最大的灵活性，不受实现条件的限制，同时也给后续设计留有 更大的创新空间，使用者根据单元库的条件可以完成更具新意的结构设计。软 i p 最主要的缺点是对模块的预测性太低，增加了设计的风险，使用者在后续的 设计中仍有发生差错的可能。 硬1 p 对功率、面积和性能进行了优化，并映射至特定的工艺。具体实例包 括已完成布局布线的网表，以特定工艺库优化过或全定制实现的物理级版图。 硬i p 是用特定工艺来实现的，通常用g d s i i 格式表示。硬i p 可以再使用，且 由于它已处于设计表示的最底层，因而最容易集成。硬i p 已完全用目标工艺实 现。并以网表或版图的形式交付的，故而允许设计者将i p 快速地集成在产品中。 硬i p 最大的优点是确保性能，如速度、功耗等。然而，硬i p 修改困难，难以 转移到新工艺或集成到新结构中。 固i p 基于一般工艺库进行了综合和布局，固i p 通常以网表的形式提交给 客户使用，劳且在结构、面积及性能二匕都己进彳亍了优化。固i p 提供了介于软 i p 和硬i p 之间的一个折衷方案它既比硬i p 有较好的灵活性和可移植性，又 比软i p 在性能和面积上有较好的可预测性。 s o c 设计技术的出现是以深亚微米( d s m ，d e e ps u b m i c r o n ) 工艺技术和 先进的设计技术为基础的。然而长期以来，设计技术的进步一直落后于徽电子 加工工艺的进步，设计技术与加工技术之间存在剪刀差，设计速度慢是集成电 路产品更新换代的主要障碍。此外s o c 设计极其复杂，需要有一定的技术积累， 并且需要投入大量的资源，设计、验证工作繁重，如果每一个芯片都从零开始 设计，将花费漫长的时间，而且结果还不一定正确。基于i p 复用的设计技术是 当前解决这些问题的有效方法。美国d a t a q u e s t 全球半导体部首席分析师j i m t u l l y 指出，i p 是设计重用的关键部分，是结束设计差距的唯一有效方法，如 果没有它，半导体生产裔和o e m ( 0 r i g i n a ie q u i p m e n tm