数字集成电路设计与实现

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1、数字集成电路设计与实现1.绪论2.基本流程2.1代码编写2.2功能验证2.3逻辑综合2.4静态时序分析2.5物理综合3.设计技术3.1RTL代码3.2数据通道设计3.3状态机设计3.4系统设计4.验证技术4.1测试平台5.逻辑综合技术5.1标准单元库5.2设计约束6.物理综合技术第1章绪论1.1数字集成电路的特点数字电路通常是由简单的单元电路构成的规模庞大的系统，体现了“简单性”与“复杂性”的对立统一。基本的数字单元电路，如各种逻辑门电路和触发器、锁存器等，其电路结构比较简单，且实现的逻辑功能与其中晶体管尺寸无关。数字电路的性能指标相对较少，主要包括速度、功耗、面积三个方面，设计思路比较简单。

2、但是，一个数字电路系统通常是非常复杂的，可能包含数百万个基本逻辑单元，其逻辑功能也需要有其它领域的知识才能理解。具有存储功能的数字逻辑单元，其输入信号和控制信号需要满足一定的时序关系才能正确实现逻辑功能。在达到一定规模后，各个单元电路的时序要求很难同时满足。制造工艺的进步，对数字电路性能提高作用显著。同样的设计，用特征尺寸更小的工艺实现，各方面都性能会有很大提高。因此，数字电路设计需要有较好的可移植性或重用性，以适应制造工艺的发展。数字电路的这些特点，决定了其设计技术的发展方向。1.2现代数字电路设计方法在早期的集成电路设计中，数字电路与模拟电路的设计方法没有什么区别，都是全定制设计。全定制设

3、计是一种晶体管级的设计，任何电路都要描述为由晶体管构成的电路网络。由于晶体管与版图之间具有明确的对应关系，这种设计方法的实现步骤相对较少，对EDA工具的依赖程度相对较低。在全定制设计问题中，设计者可以任意确定每个单元电路的结构和其中晶体管的尺寸，理论上讲，能够实现最优化的电路性能。由于具有较高的灵活性和设计自由度，全定制设计至今仍是模拟电路和规模较小的混合信号电路的设计方法。但是，对于规模庞大的数字电路来说，这种设计方法不仅设计工作量大，而且对电路的时序关系验证也十分困难，对于规模达到百万、千万晶体管的电路，完全采用全定制设计是不现实的。现代数字集成电路设计方法来自对传统设计方法的总结和对计算

4、机软件技术的引入。在对电路性能的要求没有达到工艺极限时，不需要对每个单元电路都进行特殊设计，可先设计出各种基本单元电路（cell），包括原理图和版图，形成一个标准单元库，再利用库中的cell实现复杂的逻辑关系。这种方法使得自动化设计成为可能。即使在全定制设计中，对电路功能的描述也是层次化的，而不是直接描述为晶体管网络。有了标准单元库，一个电路就可以理解为由标准单元构成的网表，也就是说“描述级别”由晶体管级提升到了“门级”。复杂的电路在“门级”仍然难以看出逻辑功能，需要更高级别的描述。一个复杂的数字电路系统可以理解为由若干个具有典型逻辑功能的模块和一个控制电路组成的，常见的模块包括寄存器、计数器

5、、算术和逻辑运算单元和存储器等。控制电路是一个有限状态机，在时钟的作用下，状态机根据当前的状态和输入信号不断地进行状态转换，同时产生输出信号，控制各个逻辑模块工作。这种级别的描述称为“架构级”，是最重要的设计级别。最高级别的描述是系统级，在这个级别，一般只定义系统的功能、外部接口和其中主要功能模块。最低级别的描述是版图，版图实际上就是一组几何图形，根据版图可以生成光刻版。一个设计实际上总是要从系统级开始考虑，然后是架构级、门级、晶体管级，最后是版图级。在传统的设计流程中，可验证的设计描述是从晶体管级开始的，用晶体管构成逻辑门，再由逻辑门构成功能模块，最后连接成系统。全部设计工作都要由设计者来完

6、成，尽管也使用EDA工具，但这些工具只是代替了纸、笔和计算器，不能自动生成任何东西。计算机技术的发展，使得从高级别的描述自动生成低级别的描述成为可能，这个过程与从高级语言编写的程序生成机器码的过程相似。用电路图描述复杂电路是很困难的，也很难被计算机理解，于是产生了硬件描述语言。硬件描述语言具有很强的描述能力，一段几百行的代码，有时可以代替几百张图纸。硬件描述语言诞生之初是为了保存设计或进行功能仿真，用于生成电路是后来的事。硬件描述语言也存在级别的概念，分为行为级、寄存器传输级（RTL级）、门级、晶体管级等。版图的细节很难用语言描述，目前还不能自动生成，因此在所谓的自动化设计流程中，标准单元库中

7、的基本单元的版图还是手工设计的。在现代的ASIC设计方法中，标准单元库是由芯片制造厂提供的，设计者只需要用硬件描述语言写出对电路功能的描述，再用EDA工具的脚本语言，写出对电路性能的要求，大部分工作将由EDA工具实现。这种方法极大地提高了设计速度，也提高了设计的重用性。本文主要介绍这种设计方法，按业界习惯说法，简称为ASIC设计方法。ASIC设计方法可以归纳为两部分工作，即设计和实现。设计指描述和