中科大复杂数字系统设计课件设计输入与仿真综合

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1、第三章 设计输入与仿真综合第三章 设计输入与仿真综合3.1 复杂数字系统设计概述复杂数字系统设计概述3.2 设计输入及其设计输入及其EDA工具软件工具软件3.3 设计输入的形式设计输入的形式3.4 VHDL仿真建模仿真建模3.5 设计综合设计综合复习思考题复习思考题第三章 设计输入与仿真综合3.1 复杂数字系统设计概述复杂数字系统设计概述3.1.1 复杂数字系统设计流程复杂数字系统设计流程 随着集成电路技术的飞速发展，数字设计的规模不断加大， 复杂度不断增加。同时，设计周期要求越来越短，特别是当微电子技术进入(超)深亚微米时代，单片的集成度达数百万个晶体管， 工艺的变化使得各种寄生参数对芯片的

2、性能产生了很大的影响时， 在设计中不采用强有力的EDA工具是不可能的。第三章 设计输入与仿真综合传统的数字系统设计方法是利用真值表、卡诺图、状态方程组、状态转换表、状态转换图等描述工具建立系统模型来进 行系统设计的。上述方法在数字逻辑课程中都有详细的讲解，在此不再赘述。对于一个复杂的数字系统，由于它的输入变量 数、 输出变量数和内部的状态数很多， 如果用传统设计方法 来描述和设计将是十分困难， 甚至是无法完成的。为此，必须树立系统概念，采用从系统总体出发来描述和设计。常用的方 法有本书第一章已经介绍的自顶向下法和自底向上法。 复杂数字系统的设计流程随着不同的设计目标、设计方法、 设计工艺变化而

3、变化，从图3 - 1中可以看出，复杂数字系统设计中几个关键的环节分别为：设计输入、逻辑仿真、综合以及 布局布线等。第三章 设计输入与仿真综合图3-1 复杂数字系统的设计流程图源码输入功能级设计输入逻辑仿真综合电路级设计输入逻辑仿真时序分析测 试电路网表测试码布局布线布局/布线选项版图数据GDSII版图验证GDSII网表RC提取RC寄生参数系统级规约度第三章 设计输入与仿真综合复杂数字系统设计采用结构化的设计方法如下所述： (1) 由多个设计小组协同完成一个复杂的设计是通常采用的设计策略。 (2) 首先将复杂的设计划分为若干个模块， 各个设计小组使用统一的设计工具，按照统一的标准，分别完成各个模

4、块的 设计和仿真， 在此基础上完成整个系统的集成。 结构化设计方法既可应用于前端设计，也可应用于包括后端设计在内的整个 设计过程。 当前，主流的复杂数字系统设计主要采用高层次设计技术。相对于逻辑图输入等设计方法， 高层次设计方法具有设计速度快，不依赖于特定工艺和时钟等优点。高层次设计的过程如下：第三章 设计输入与仿真综合(1) 根据用户需求描述， 确定设计要求。(2) 行为级描述。利用VHDL或Verilog硬件描述语言来描述电路的功能。 RTL级设计是行为级描述中通常使用的方法，设计时，在数据处理和传输的路径中设置若干级寄存器，数据在寄存器之间的行为由逻辑和运算表示。 (3) 行为级仿真。即

5、利用EDA工具对前一阶段的设计进行仿真， 以确定设计描述符合设计要求。第三章 设计输入与仿真综合(4) 逻辑综合。即把设计的行为描述转化为由门级单元组成的结构描述。在逻辑综合中，门级单元会映射为特定工艺的标准单元库。 (5) 门级仿真。 即电路的门级功能仿真和时序验证。 实际上，高层次设计过程是以上步骤的迭代，功耗分析和可测性设计也是设计过程的重要部分。第三章 设计输入与仿真综合3.1.2 EDA硬件和软件平台配置硬件和软件平台配置软硬件平台即指软硬件设计环境，它应兼顾集中和分散相结合的原则，以互联网(Internet)为基础。同时软硬件设计环境应既能满足系统级芯片(SoC)百万门级的设计需求

6、，又能适合面大量广的万门级、十万门级的设计需求。软硬件平台的建设一般呈金字塔形，分上、中、下三部分，依次为高档工作站、中档工作站、 低端工作站， 教学应以低端工作站为主。商业上的典型应用如北京集成电路设计园，其软硬件平台的建设如图3-2所示。第三章 设计输入与仿真综合图3-2 北京集成电路设计园软硬件平台的建设示意图物理 层设计可测性设计逻辑综合软件包方案设计软件包设计输入与仿真 RTL级设计/线路设计/版图编辑50200软件数目相对比例投资比例28%30%10%32%第三章 设计输入与仿真综合在图3-2中： 少量的深亚微米版图设计工具（0.50.18 m）和次深亚微米以上版图设计工具（20.

7、6 m）； 如果逻辑综合中包含了全扫描测试工具，这里可以变为存储器测试逻辑和边界扫描工具各12个； 分别指适量的高、中、低逻辑综合工具。高是指能进行深亚微米设计的， 中是指能进行次深亚微米设计的，低是指可以进行FPGA综合， 或看HDL代码是否符合综合条件的。 该平台包括网络环境软硬件、EDA设计软硬件等。EDA软件主要供应商有Cadence、Synopsys、Mentor Graphics等公司。第三章 设计输入与仿真综合1. 硬件设计环境硬件设计环境 设计网络环境主要由工作站、服务器、打印机、带宽管理器及其它网络设备组成， 采用层次结构，由服务器和高档工作站构成EDA中心，由中低档工作站组

8、成开放实验室，由低档工作站和PC机构成个人工作平台。 设计网络环境基本上可分成以下三种模式： (1) 集中式。设立一个EDA计算中心，所有用户都到计算中心上机进行设计。优点是便于集中管理。缺点是需要有较多硬件资源， 且不灵活，不同公司之间的技术人员容易相互泄密等。一般情况下， 不建议采取这种软件使用方式。第三章 设计输入与仿真综合(2) 分散式。由于目前的EDA软件基本采取浮动license管理方式，因此，可以不设立计算中心。各个用户可以准备自己的工作站，只要该工作站连在基地的内部网上就可以使用软件了。其优点是灵活方便，节省硬件资源。 缺点是有些刚刚起步的小公司可能负担不起工作站的购买。 (3

9、) 混合式。即采取设立计算中心与分布式相结合的方式。这种方式对第一种方式和第二种方式进行了取长补短， 可起到“灵活、 实际”的效果。 第三章 设计输入与仿真综合2. 软件设计环境与配置软件设计环境与配置(1) 软件设计环境。 按设计的时序划分，数字系统设计所需的软件包括：设计输入与仿真、方案设计软件包、 逻辑综合软件包、可测性设计和物理层设计软件。随着从设计输入到物理层设计任务量的递减， 所需的软件数目也会越来越少。每一类软件都要根据企业进行高、中、低档芯片设计不同的需求进行配置。第三章 设计输入与仿真综合(2) 软件配置。考虑到设计中心的规模，EDA软件的配置至少应该具备以下模块或者功能：原

10、理图输入工具、Verilog仿真器、 混合语言仿真器、综合工具、标准单元布局、布线器、规则检查、版图验证、 模拟电路设计环境、 模拟仿真器、 数/模信号反标接口、 定制/半定制版图编辑器、 定制/半定制版图布线器和培训。第三章 设计输入与仿真综合Verilog仿真是目前功能级验证的绝对主流。用户以原理图输入或者用硬件描述语言输入，均可以采用Verilog仿真器来仿真、 验证其逻辑功能是否正确。 由于在Verilog HDL语言流行前，VHDL语言大行其道，使得有些用户习惯于VHDL语言设计。另外一方面，由于Verilog语言类似于C语言，在写测试基准时比较方便，也可能会导致两种硬件描述语言同时

11、使用的情况，所以一般要配一定数量的混合语言仿真器。 以硬件描述语言来实现功能的用户需要将语言翻译成门级网表，并最终实现物理电路。由于仿真器和物理综合器都属于 前端设计， 在复杂数字系统设计中，绝大多数用户会专注于前端设计，所以综合器的配置与选用很重要。第三章 设计输入与仿真综合3.2 设计输入及其设计输入及其EDA工具软件工具软件3.2.1 设计输入方式设计输入方式(1) 文件输入方式。文件输入方式具有输入数据读写简单、数据量小的特点;缺点是可读性较差，难以表现数据内部的相互关系， 缺乏统一的标准等。目前，文件往往只作为系统内部数据格式使用。为保证数据的一致性，也制定了一些标准数据交换格式，

12、如CIF和EDIF格式。大多数的EDA工具商提供将自己的数据格式转换为标准数据交换格式的程序。第三章 设计输入与仿真综合(2) 语言输入方式。为了体现数据的内部逻辑关系，增加数据的可读性，人们用语言来描述硬件。 描述硬件的语言称为硬件描述语言。VHDL/Verilog语言是目前普遍使用的硬件描述语言的国际工业标准，其中VHDL语言在本书的第二章已有较为详细的介绍，这里就不再赘述。 (3) 图形输入方式。 硬件设计者在传统的设计工作中，习惯于用各种图形方式来表达自己的设计意图。根据这个特点，许多EDA系统为用户提供了图形输入方式。第三章 设计输入与仿真综合进行复杂数字系统设计输入时，还要考虑数据

13、结构问题，下面简单介绍一些主要原则。(1) 设计表达清晰， 易于扩展与修改，能充分利用计算机资源。 (2) 数据结构中记录与链表不宜采用静态数组， 而采用动态链表结构。 (3) 数据结构中的每一个记录都包含了几个数据项，这些数据项即所谓描述目标的某个特性，这些特性具有名字、数值和特定的类型。复杂数字系统设计中的特性项应具有无限扩展的特性。第三章 设计输入与仿真综合(4) 在复杂数字系统设计中，一个记录中往往存储了大量信息，其中有部分信息是某个特定目标所具有的，而大多数信息是某类目标所共有的。我们将这些公共信息放在一个公用区域 供多个目标公用，这些公用信息称为设计原型。 (5) 对于复杂数字系统

14、设计，要有效地解决层次表达、视图表达、连接性表达以及几何特性表达等问题。由于采用层次式 表达，当高层次的胞(Cell)调用低层次的胞时，就拥有了低层次胞中所有的信息，而每个胞都可作为一个器件设计原型。 EDA系统中包含了两类器件：基本器件和复杂器件，我们将所有基本器件的集合称为环境，而将一系列复杂器件模型或胞的集合 称为库(Library)。 第三章 设计输入与仿真综合3.2.2 功能仿真工具软件功能仿真工具软件仿真是指利用软件构造硬件模型、给定激励、模拟确定响应以验证电路设计过程的正确性。 如果从原理图开始仿真，要先生成网表文件； 如果只是从文本源文件开始，则可直接仿真。 1. 设计输入与仿

15、真所用典型工具软件设计输入与仿真所用典型工具软件0.25 m工艺适用的复杂数字系统的设计输入与仿真所用的典型工具如表3-1所示。第三章 设计输入与仿真综合表表 3-1 设计输入与仿真所用工具一览表设计输入与仿真所用工具一览表第三章 设计输入与仿真综合第三章 设计输入与仿真综合2. 数字电路设计数字电路设计EDA工具工具复杂数字电路设计所用的EDA工具较多，每家制造商都有自己的优势。 典型EDA工具如表3 - 2所示。 表表 3-2 数字电路设计数字电路设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综合表表 3-2 数字电路设计数字电路设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综

16、合表表 3-2 数字电路设计数字电路设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综合表表 3-2 数字电路设计数字电路设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综合3. 模拟模拟/数模混合信号电路设计数模混合信号电路设计EDA工具工具模拟信号电路设计是复杂数字系统设计不能再回避的问题之一， 混合信号仿真工具是必须考虑选用的，典型工具软件如表3-3所示。 表表 3-3 模拟模拟/数模混合信号电路设计数模混合信号电路设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综合4. 硬件硬件/软件协同设计软件协同设计EDA工具工具在复杂数字系统设计中，硬件/软件(Hard/Soft)协同设计、验证是进入SoC设计的重要标志之一，有关硬件/软件协同设计EDA工具如表3-4所示。表表 3-4 硬件硬件/软件协同设计软件协同设计EDA工具一览表工具一览表第三章 设计输入与仿真综合5. 版图设计版图设计EDA工具工具在复杂数字系统的后端设计中， 版图设计、 验证的EDA工具非常昂贵， 有关产品如表3