数字集成电路第2章-数字集成电路设计流程和设计方法

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1、第一章第一章 概概 论论 第二章第二章 数字集成电路设计流程和设计方法数字集成电路设计流程和设计方法 2.1 设计流程设计流程2.2 设计描述设计描述 2.3 综合方法综合方法 2.4 设计验证设计验证 2.5 EDA工具工具第一章第一章 概概 论论 数字集成电路设计总体上可分为数字集成电路设计总体上可分为1.1.电路设计（前端设计）电路设计（前端设计）电路设计是指根据对ASIC的要求或规范，从电路系统的行为描述开始，直到设计出相应的电路图，对于数字系统来说就是设计出它的逻辑图或逻辑网表2.2.版图设计（后端设计）版图设计（后端设计）版图设计就是根据逻辑网表进一步设计集成电路的物理版图，也就是

2、制造工艺所需的掩膜版的版图。第一章第一章 概概 论论 一、一、 bottom-Up 自底向上(Bottom-Up)设计是集成电路和PCB板的传统设计方法,该方法盛行于七、八十年 设计从逻辑级开始，采用逻辑单元和少数行为级模块构成层次式模型进行层次设计，从门级开始逐级向上组成RTL级模块，再由若于RTL模块构成电路系统 对于集成度在一万门以内的IC设计是行之有效的,无法完成十万门以上的设计 设计效率低、周期长，一次设计成功率低2.1 2.1 设计流程设计流程第一章第一章 概概 论论 System SpecificationArchitectural &BehavioralAnalysis

3、 ,Design,VerificationRTL Model &VerificationLogic/Test SynthesisGate Level VerificationTiming AnalysisAutomatic Test VectorGen.&Fault Sim.ASIC/FPGA Process&Layout DesignPost LayoutVerification(Timing)Chip LayoutDatabaseTop-Down Design FlowSpecificationStructuralDesign&PartitionGate L

4、evel Design &VerificationTiming AnalysisFault SimulationLayout Design &Verification(DRC,ERC,LVS)GDSII LayoutDataBottom-Up Design FlowOkYesModificationNoOkYesNoOkYesNoOkYesNo第一章第一章 概概 论论 二、二、Top-Down设计设计 Top-Down流程在EDA工具支持下逐步成为IC主要的设计方法 从确定电路系统的性能指标开始，自系统级、寄存器传输级、逻辑级直到物理级逐级细化并逐级验证其功能和性能2.1 设计

5、流程设计流程第一章第一章 概概 论论 二、二、Top-Down设计设计 从电路行为到逻辑结构的转换是由逻辑综合这一步骤自动进行的。逻辑综合是采用编译的方法，自动生成与行为级描述等效的门级逻辑的过程，并且在综合的过程中可以根据具体情况对电路的速度、面积、功耗等指标进行优化。测试综合是为了电路的可测性而设置步骤，它同样是通过编译方法在逻辑综合产生的门级逻辑电路基础上，自动插入扫描链，确保了电路的可测性。在此阶段同样可进行门级模拟和测试生成等步骤。最后是版图综合，进行自动布局布线，并经过验证最终产生版图数据文件。2.1 设计流程设计流程第一章第一章 概概 论论 Top-Down设计的关键技术设计的关

6、键技术 首先是需要开发系统级模型及建立模型库，这些行为模型与实 现工艺无关，仅用于系统级和RTL级模拟。 系统级功能验证技术。验证系统功能时不必考虑电路的实现结 构和实现方法，这是对付设计复杂性日益增加的重要技术。 逻辑综合-是行为设计自动转换到逻辑结构设计的重要步骤2.1 设计流程设计流程第一章第一章 概概 论论 Top-Down设计与设计与Bottom-Up设计相比，具有以下设计相比，具有以下优点优点: 设计从行为到结构再到物理级，每一步部进都进行验证,提高了一次设计的成功率。 提高了设计效率，缩短了开发周期，降低了产品的开发成本 设计成功的电路或其中的模块可以放入以后的设计中提高了设计的

7、再使用率(Reuse)。2.1 设计流程设计流程第一章第一章 概概 论论 描述方面描述方面 行为描述（是指数字系统的行为，表示了系统输出与输入之间的行为描述（是指数字系统的行为，表示了系统输出与输入之间的数学和物理关系）数学和物理关系） 结构描述（规定了集成电路系统的组成和电路结构）结构描述（规定了集成电路系统的组成和电路结构） 物理描述（是系统的实现结构，也就是集成电路在硅片上形成的物理描述（是系统的实现结构，也就是集成电路在硅片上形成的物理结构。）物理结构。）设计抽象的层次设计抽象的层次（从电路高层的系统逐步细化，直到（从电路高层的系统逐步细化，直到 最底层的晶体管级电路）最底层的晶体管级

8、电路） 系统算法级系统算法级 寄存器传输级寄存器传输级(RTL级级) 逻辑级和电路级逻辑级和电路级 最低层的晶体管级电路最低层的晶体管级电路对于每一个层次都可以从以上三个方面进行描述对于每一个层次都可以从以上三个方面进行描述2.2 2.2 设计描述设计描述第一章第一章 概概 论论 一、硬件描述语言一、硬件描述语言HDL (Hardware Description Language) 硬件描述语言可以用来描述电路系统的行为和结构，它是集成电路设计人员和EDA工具的界面。设计者是用HDL来描述自己的设计方案，包括集成电路的行为，结构和几何特性，并把描述以文件形式告诉EDA工具，并在EDA工具的帮助

9、下进行修改和验证，直到设计成功。国际上通用的、标准的硬件描述语言主要有两种，国际上通用的、标准的硬件描述语言主要有两种，即即VHDL和和Verilog HDL。2.2 2.2 设计描述设计描述第一章第一章 概概 论论 二、二、 行为描述行为描述 一个特定的设计行为描述表达了由它规定的电路输出与输一个特定的设计行为描述表达了由它规定的电路输出与输入之间的关系，对于数字系统或电路而言，行为描述的形式可入之间的关系，对于数字系统或电路而言，行为描述的形式可以是布尔表达式、输入输出式的列表，也可以是以是布尔表达式、输入输出式的列表，也可以是C、C+等高等高级语言或硬件描述语言编写的程序。以全加器为例来

10、说明级语言或硬件描述语言编写的程序。以全加器为例来说明2.2 2.2 设计描述设计描述第一章第一章 概概 论论 module carry (co,a,b,c); output co;input a,b,c;wire #10 co=(a&b)|(a&c)|(b&c)end moduleVerilog-HDL 描述进位算法描述描述进位算法描述2.2 2.2 设计描述设计描述第一章第一章 概概 论论 三、结构描述三、结构描述 结构描述规定了电路系统的结构，规定了元件之间的连接关系，并由结构描述规定了电路系统的结构，规定了元件之间的连接关系，并由此确定了系统的功能。结构描述的层

11、次可以分成此确定了系统的功能。结构描述的层次可以分成RTL级（功能块级）、级（功能块级）、门级、开关级、和电路级。门级、开关级、和电路级。2.2 2.2 设计描述设计描述第一章第一章 概概 论论 4位加法器的结构描述（位加法器的结构描述（RTL级）级）module add4(s,c4,ci,a,b); input3:0 a,b; input ci; output3:0 s; output c4; wire2:0 co; add a0 (co0,s0,a0,b0,ci); add a1 (co1,s1,a1,b1,co0); add a2 (co2,s2,a2,b2,co1); add a3 (