（微电子学与固体电子学专业论文）8位risc+mcu软核的设计.pdf

8 位r i s em e u 的软核设计 摘要 h g d 0 8 r 0 1m c u 软核是由台腿工业大学微电子设计研究所设计的一神8 位 的瓤s c 微控制器。这个软核与m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c 5 7 兼容，麟够广泛 蟪应耀予工监控制、仪器仪表、汽车工监等镁域。 该软核源自予国家“九五”夔点科技攻关项躁课题：m c u 寒层语骞撼述 及其嵌入式技术研究。 这个项裔遵循了自上而下的设计流摇，从系统划分、编写代码、r t l 仿 粪、练会、门级谤真，到森爨毒线、遐气援烈检查、设诗溉燹| j 捡套，鹅表魄较 等。在设计的不同阶段使用了不同的e d a 工具，包括c a d e n c e 、s y n o p s y s 、 a v a n t ! 、m o d e l s i m 、m a x p l u s l i 等镩。少 本文奔鲻了 i g d 0 8 r o l 软核韵r i s e 体系结构、数据通道设计、时序设计 以及硬毒线控割设计等，阏时还余缨了改软核粒验涯滚程与方法。 m c u 是嵌入式系统的心脏，由于嵌入式系统的广泛应用，掌握m c u 设计 技术驻得非常重要。这个项目是邋向嵌入式核心技术的第一步，还有更多的工 佟需要傲。 关键谪：徽投制嚣； 硬l 孛攒述语言 精简指令集、软核 知识产权? d e s i g no f 8 - b i tr i s cm c us o f tc o r e a b s t r a c t h g d 0 8 r 0 1m c u - c o r ei s d e v e l o p e db y t h ei n s t i t u t eo fv l s i d e s i g n ，h e f e iu n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y ， i sa n8 - b i tr i s c m i c r o c o n t r o l l e ru n i t t h i sc o r ei s c o m p a t i b l e w i t hp i c l 6 c 5 7o f m i c r o c h i p t h e c o r ec a nb ew i d e l yu s e di nt h ea r e a so fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，i n s t r u m e n t a t i o n ，a n da u t o m o b i l ea n d s oo n t h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gt h ec o r ec o m e sf r o man a t i o n a lk e y p r o g r a m i ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g i e s ，s t u d y o nm c uh i g hl e v e l l a n g u a g ed e s c r i p t i o na n de m b e d e ds y s t e mt e c h n o l o g y t h ep r o j e c ti sf o l l o w e dt h et o p - d o w nd e s i g nw a y i t sf r o mt h e s y s t e mp a r t i t i o n ，c o d i n g ，r t ls i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，g a t e l e v e l s i m u l a t i o n ，t op r ，d r c ，e r c ，l v s ，e t c w eu s e dd i f f e r e n te d a t o o l so nd i f f e r e n td e s i g np h a s e ，i n c l u d i n gc a d e n c e ，s y n o p s y s ，a v a n t ! ， m o d e l s i m ，m a x - p l u s l ia n ds oo n t h et h e s i si n t r o d u c e st h e a r c h i t e c t u r e ，d a t a p a t h ，h a r d w i r e c o n t r o lo ft h es o f tc o r e ，a n di n t r o d u c e st h ev e r i f i c a t i o no ft h es o f t c 0 r e m c ui st h eh e a r to ft h ee m b e d e ds y s t e m s oi t s v e r yi m p o r t a n t t od e v e l o pt h et e c h n o l o g yo fm c us i n c et h ee m b e d e ds y s t e mi sw i d e l y u s e di ns om a n ya r e a s t h ep r o j e c ti st h ef i r s ts t e pg o i n gt ot h ec o r e t e c h n o l o g yo ft h ee m b e d e ds y s t e m ，i tn e e d sm o r e w o r kt od o k e yw o r d s ： m i c r o c o n t r o n e ru n i t v e r i l o gh d l r i s cs o f tc 0 r e i p 插图清单 图1 1s o c 设计的主要阶段4 图1 2 集成电路设计的典型流程8 图2 1h g d 0 8 r 0 1 指令格式1 4 图2 2 系统划分结构图1 5 图2 3h g d 0 8 r 0 1 顶层结构图1 6 图2 4 冯诺依曼结构图1 7 图2 5h g d 0 8 r 0 1 的哈佛结构1 7 图3 一l 整体数据通道图1 9 图3 2 内部数据总线结构图2 0 图3 3 程序存储器结构2 1 图3 4 数据存储器结构2 2 图3 5 状态寄存器2 4 图3 6o p t i o n 寄存器2 5 图3 7p c 寄存器2 6 图3 8 间接寻址2 7 图3 9a l u 结构示意图2 9 图4 一lh g b 0 8 r 0 1 的工作时钟3 2 图4 2 看门狗和分频器的原理框图3 5 图4 3 复位结构图3 6 图4 4 设备复位时间( 1 ) 3 8 图4 5 设备复位时阳j ( 2 ) 3 8 图4 6 整体时序图，3 9 图5 1 指令译码与硬布线控制在h g d 0 8 r 0 1 中的作用4 0 图5 2 指令译码与硬布线控制的结构4 1 图5 3 基于微操作的指令流程图4 2 图5 4 建立在数据通道上的指令流程图4 3 图5 5 特殊寄存器内部通道展开4 5 图6 1 组合逻辑路径长度5 1 图6 2 组合逻辑路径长度的控制5 2 图6 3 内部数据总线的代码模型5 5 图7 1 仿真验证的典型流程6 0 图7 2r t l 级仿真的流程6 l 图7 3r t l 级仿真时钟输出波形6 2 图7 4r t l 级仿真地址和指令的波形6 2 图7 5 环境因素组合情况示意图6 7 图7 6r t l 仿真指令功能的自动验证( 1 ) 6 9 图7 7r t l 仿真指令功能的自动验证( 2 ) 6 9 图7 8 标准文件法的自动验证流程图7 0 图7 9 比较程序算法框图7 l 图7 1 0p c b 制作流程图7 3 图7 1 1 主动串行配置方式的逻辑连接图7 4 图7 1 2 被动串行配置方式的逻辑连接图7 4 图7 1 3f p g a 测试用p c b 版图7 5 图7 1 4 测试系统结构图7 6 图7 1 5 下载电缆示意图7 7 图7 1 6s o f 文件生成过程7 8 图7 1 7f p g a 验证逻辑分析仪的仿真结果( 1 ) 8 0 图7 1 8f p g a 验证逻辑分析仪的仿真结果( 2 ) 8 1 图7 1 9a s i c 验证及实现的典型流程8 2 图7 - - 2 0h g d 0 8 r 0 1 的a s i c 门级仿真图8 3 图7 2 1 g d 0 8 r 0 1 的自动布局柿线版图8 4 图7 - - 2 2 网表比较结果图8 5 表格清单 表1 1 设计方法学的比较 表3 一1 分频器分频比例表 表4 1 系统复位后寄存器的状态 表7 1h g d 0 8 r 0 1 测试的操作数范围卫撕钾印 一 一 一 一 笙二童堕壹 第一章前言 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升传统产业的核 心技术。为了推进我国集成电路产业的发展，必须掌握集成电路设计的最新技 术，生产制造出具有自主知识产权的产品，以满足国家在经济、国防等方面的 迫切需要。 1 1 集成电路设计概况 集成电路产业在7 0 年代开始分工，半导体工艺设备和i c c a d 设备成为独 立产业，以其精湛的专业技术为i c 厂家提供高质量的设备。此时i c 厂家可以 有更多的精力用于产品的设计与工艺的研究。到了8 0 年代，i c 产业再一次分 工，形成了f o u n d r y 加工和f a b l e s s 设计的分工。这一次分工加上i c c a d 工具 发展为e d a 系统，为大批没有半导体背景的系统设计师介入i c 设计提供了条 件，使得i c 的作用也渗透到各行各业，开拓了i c 的应用领域，扩大了对i c 的需求。到了9 0 年代，测试也成为独立的产业分离出去。至此，集成电路设计 已经完全独立于i c 产业的其他环节，集成电路设计业也成为一个独立的行业。 1 1 1 集成电路设计的发展 这几十年，集成电路工艺和集成电路设计都有了很大的发展。集成电路工 艺的发展使器件集成规模按照每年5 8 的速度增长，而集成电路设计效率的增 长却只有每年2 1 ，这样在集成电路工艺发展与集成电路设计效率增长之间就 出现了一个剪刀差。 为了弥补这个剪刀差，e d a 工具不断推陈出新，使得集成电路设计能力大 约每十年出现一次阶跃式的提高，有效地缩小了设计与工艺能力的差距。集成 电路设计能力主要经过了如下四次飞跃： 2 0 世纪7 0 年代的版图编辑系统的出现，把i c 中的重复结构建立版图 库，利用系统的复制功能，提高了版图设计效率； 8 0 年代出现以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第二代i c c a d 系统，由于这套系统已经把i c 的电学功能纳入设计之中，自此i c c a d 系统更多地称为e d a ； 9 0 年代出现的综合系统，把设计水平从原理图输入提高到行为描述， 第一章前言 进一步缩短了设计周期，提高了设计效率； 第四次飞跃是s o c ( s y s t e m 。o n a c h i p ) 技术的出现，这种技术能够利用已 有的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，把一个系统集成在一片硅片上。 在集成电路工艺和e d a 工具的推动下，集成电路设计方法学也得到了很 大的发展。在设计方法学发展的各个历史时期，设计者关心的焦点不一样，可 以利用的设计资源不一样，设计的能力也有很大的差异。按照出现的先后集成 电路设计方法学可以分为如下四种： 面积驱动的设计( a r e ad r i v i n gd e s i g n ) ：早期设计者所使用的基础模 块是晶体管，在这一阶段，设计者关心的焦点是如何减小芯片面积； 时序驱动的设计( t d d ，t i m ed r i v i n gd e s i g n ) ：随着设计复杂度的加 深，在考虑芯片面积的同时，更多关注门级模块之间的延时； 基于模块的设计( b b d ，b l o c k b a s e dd e s i g n ) ：芯片集成度进一步提 高，同时产品投放市场的时间要求越来越短，设计人员利用已有的模 块，以模块为中心，迅速设计出新产品。 基于平台的设计( p b d ，p l a t f o r m b a s e dd e s i g n ) ：是基于虚拟元件( v c ) 的设计，以在芯片上实现系统功能为目标，需要有软硬件协同设计平 台，具有标准总线结构。 后三种设计方法学的比较见表1 1 。 表l 一1 设计方法学的比较 特性t d db b dp b d 设计复杂度5 k 2 5 0 k 门1 5 0 k 一1 5 m 门3 0 0 k 门以上 设计层次 r t lb e h a v i o r a l - r t l a r c h i t e c t u m l 设计粒度门和存储器功能块、核虚拟元件 设计复用没有随机的有准备的 总线结构没有，定制的定制的标准的 布局一个层次上有层次的有层次的 布线一个层次上一个层次上有层次的 1 1 2s o c 设计 s o c 是1 0 年前就出现的概念，它是微电子技术当前最迫切的发展方向。从 技术层面看，系统级芯片技术是超大规模集成电路( u l s i ) 发展的必然趋势和主 流。 1 s o c 的定义 第一章前言 系统芯片，英文缩写为s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) 。简单地说s o c 就是在一 个硅片上集成了一个完整的系统，它应该包含硬件和软件两部分，硬件部分集 成了c p u 、r o m 、r a m 、端口等，软件集成了操作系统( 嵌入式操作系统) ， 甚至包括一些重要的应用软件。 一般来说，s o c 具备如下特性： 实现复杂系统功能的v l s l ： 采用超深亚微米工艺技术； 使用一个或数个嵌入式c p u 或数字信号处理器( d s p ) ； 集成了操作系统和一些软件； 具备外部对芯片进行编程的功能； 主要采用第三方的i p 核进行设计。 2 s o c 设计的关键技术 s o c 不是一个专业领域的内容，微电子、计算机及应用领域等多学科的交 叉融合推进了s o c 的发展。 s o c 设计涉及到的的关键技术主要有软硬件协同设计技术、深亚微米设计 技术、i p 复用技术、低功耗设计技术和s o c 测试技术等等。 s o c 的设计将包括嵌入式操作系统、嵌入式系统程序和应用程序的开发、 软件与硬件的划分、协同设计、协同仿真；电路的综合、布局布线等等。s o c 芯片设计需要从系统出发，进行统一的系统功能定义与描述，采用系统级软硬 件协同设计方法，在系统级上比较不同实现结构的选择对产品性能的影响，从 而进行设计的权衡。这些选择包括：软硬件划分、总线和处理器负载分析、r t o s 规划和资源竞争。这种权衡使得在物理实现之前就可以进行有效的分析和结构 的优化，不但大大提高了可预测性，而且提高了设计效率，减少往复设计的次 数，既节省时间又节约了成本。 支持s o c 设计的一个重要的支柱是深亚微米( d e e ps u b m i e r o n ) 设计技术。 集成电路工艺进入深亚微米，使单位面积的硅片上可以集成的晶体管数量大为 增加，在集成度因深亚微米技术上升到一个新阶段之后，把一个系统所需的大 量的电路集成到一块硅片上已成为可能。所以深亚微米技术为s o c 的实现提供 了最基本的条件。 但是随着设计进入深亚微米，原本不太突出的连线延迟问题变为需要认真 考虑的棘手问题，原来的设计方法和工具也受到严峻考验，另外系统芯片的电 路规模庞大，集成度高，又同时集成了数字和模拟电路，所以其设计的复杂程 度大大超过了已往的集成电路设计。相对于设计复杂度的增加，另外一方面， 现在的市场竞争非常激烈，产品更新换代的速度非常快，这又要求设计的周期 尽量缩短。这样就形成了一对似乎难以调和的矛盾。为了降低s o c 设计的难度， 第一章前言 提高设计的速度，工程师往往在设计中使用一些以前设计中用到的功能模块， 有些模块很通用，往往重复多次用于多个设计。这些已验证的、可重复利用的 i c 模块是技术含量最集中的部分，通常被称为i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ) ，或虚 拟部件( v i r t u a lc o m p o n e n t ) 、芯核( c o r e ) 。由于有了这些经过严格测试的i p ， 使芯片的设计变得更为快捷，设计的风险也大为降低。但是如何评估i p 、选择 i p ，使i p 能够便捷地嵌入系统中等成为i p 复用的难题，本章后面将详细地介 绍i p 复用技术。 3 s o c 设计的流程 目前的s o c 设计方法，通常参照系统工程的方法进行。在系统分析、具体 实现、系统集成各个阶段都按照设计、验证、测试以及文档并行的方式进行。 s o c 设计可以分为如下几个主要阶段( 见图1 1 ) ： 图1 1s o c 设计流程的主要阶段 系统行为建模 通过对系统的需求分析，通常采用高级语言( 如c 、s d l 语言) 编写 抽象的系统行为模型，并进行系统功能验证。其结果是完成系统的规范说 明和设计模型及相关文档。 系统结构建模 功能描述之后，可以定义一系列基于系统功能描述的软、硬件结构模 型，该模型可能包括微处理器、微控制器、d s p 、总线、存储单元、外围 设计、r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，和其他一些专用的硬件处理单元。 4 蔓二童萱童一 这些元件应是可重用的v c 模块。 结构映射方案评估 这一阶段将功能进行划分并映射到不同的结构模型上去，即将不同的 功能映射为不同的软、硬件资源，对于硬件应将种功能映射为一个精确 的硬件模块，对于软件应将一种功能映射为个针对于特定进程的任务。 最后对结构方案进行性能评估，选择性能最好的结构方案。 结构方案精炼 结构方案评估之后得到的结构方案还只是实现系统的一种粗略结构， 它还必须依靠系统设计规范进一步进行精炼、细化，得到各硬件模块和软 件模块的设计规范。 软硬件设计 这一阶段主要是设计新的硬件模块，综合重用的硬件v c 模块，并开 发出相应的软件，其中硬件r t l 仿真和软件调试需要花费较多时间。 软硬件协同验证 在s o c 设计中，软件占据了相当大的比例，系统芯片的验证采用软硬 件协同验证，可以缩短设计的周期。需要注意的是，由于系统芯片非常复 杂，因此在进行软硬件协同验证之前最好先单独验证各个模块。 系统集成 将通过软硬件协同验证的各软硬件模块集成起来，形成最终的系统芯 片。 1 1 3i p 重用技术 1 i p 的分类 通常i p 分为三类：软i p 、固i p 和硬i p ，也称软核( s o f tc o r e ) 、固核( f i r m c o r e ) 和硬核( h a r dc o r e ) 。 硬核的电路布局和工艺是固定的，不能更改。硬核已完成了全部的前端和 后端设计，灵活性最小。i p 模块提供给用户的是封装好的行为模型，用户能从 外部测试硬核的性能，但无法得到厂家真正的电路设计。 软核包括逻辑描述和不能物理实现的测试文档。与硬核相比软核有更大的 灵活性，用户能把用硬件描述语言的设计的软核修改为自己所需要的设计，综 合到选定的厂商工艺上，并通过布局布线实现具体的电路。 固核是一种介于软核和硬核之间的i p ，通常以带有工艺信息的门级网表的 形式提供。固核既不是独立的，也不是固定的，它可以根据用户的要求进行修 改，使它适用于某种可实现的工艺过程。固核允许用户重新确定关键的性能参 数。从完成i p 模块的代价来看，硬核i p 代价最高；从i p 灵活性来看，软核i p 笙二至萱童一一 的可重复使用性最高。 2 i p 的标准化 在实际工业应用中，i p 重用并非易事，有效和自由地“拼装”芯片是一件 很有挑战性的工作。通常各个公司之间的设计观点、设计准则和数据格式不同， i p 重用的基础薄弱，所以i p 产业遇到的第一个问题就是：i p 接口的标准化和 i p 核设计的规范化。 为了推动i p 产业的发展，解决i p 标准化的问题，国际上出现了一些建立 i p 标准的机构，例如虚拟插座接口联盟( v s i a ，v i r t u a l s o c k e ti n t e r f a c e a l l i a n c e ) 。 i p 标准化涉及到s o c 设计的各个领域，v s i a 根据i p 设计以及贸易流程， 确定了如下8 个工作领域： 系统级设计( s y s t e m l e v e ld e s i g n ) 实现验证( i m p l e m e n t a t i o n v e r i f i c a t i o n ) 功能验证( v e r i f i c a t i o n ) 物理测试( m a n u f a c t u r i n g r e l a t e dt e s t ) v c 转让( v i r t u a lc o m p o n e n tt r a n s f e r ) i p 保护( i pp r o t e c t i o n ) 片上总线( o n - c h i p b u s ) 模拟混合信号( a n a l o gm i x e d s i g n a l ) 从这些工作领域可以看出，i p 标准化工作涉及的知识面相当广，需要各个 领域专家的参与，它是一个复杂的系统工程。 3 知识产权保护 i p 产业的整个基础，实际上是建立在设计保护知识产权的基础上。很明显， i p 的保护和安全性是非常重要的。由于i p 的交流已经跨国，同时网上交易已 经流行，现行法律没有相关的条款，同时由于这种交易通常通过协议来保护， 除非i p 核供应商制定完善的权利和义务方案，协议纠纷很容易出现，却很难认 定明确的相关责任。所以当务之急是建立完善的保护方案和相关的范例。 1 2 嵌入式系统设计方法的演变 集成电路技术的发展和消费电子产品需求的增加，使嵌入式电子系统的设 计更加复杂。如何缩短产品的设计周期，适应市场需求的变化，一直是嵌入式 系统设计所关心的焦点。随着s o c 的出现，从基于芯片的设计方法，过渡到基 于i p 的设计已经是嵌入式系统设计的必然趋势。 6 第一章前言 嵌入式系统设计按其历史演变可以分为三个不同层次。 第一层次是以p c bc a d 软件和在线仿真器为主要工具的设计方法。这是 长期以来我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法。首先根据嵌入式应用 系统要实现的功能要求，对系统功能进行模块划分，再对功能模块进行硬件和 软件功能实现的分配。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要 使用的元器件进行选择和组合，利用印制电路板( p c b ) 计算机辅助设计( c a d ) 软件对系统的元器件进行布局和布线。软件设计主要包括任务分析、资源分配、 模块划分、流程设计和细化、编码调试等。最常用和最有效的工具是在线仿真 器( i c e ) 。 第二层次是使用e d a 工具软件和可编程逻辑器件的设计方法。设计工程 师在硬件设计时利用可编程逻辑器件，逐步取代原先要通过印制板线路互连的 若干标准通用逻辑器件，减少了印制板的面积和接插件的数量，降低了系统综 合成本，增加了可编程应用的灵活性，更重要的是降低了系统功耗，提高了系 统工作的速度、可靠性和安全性。 这样，硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向 利用各种e d a 工具和标准的c p l d 和f p g a 等，设计出部分集成电路器件。 再把可编程逻辑器件、可编程外围器件、所选择的a s i c 与嵌入式微处理器或 微控制器在印制板上布局、布线构成系统。 第三层次是以i p 内核库为设计基础，采用软硬件协同设计技术的设计方 法。集成电路正步入s o c 设计时代，s o c 设计方法不是把系统所需要用到的所 有集成电路简单地二次集成到一个芯片上，而是从整个系统性能要求出发，把 嵌入式微处理器、模型算法、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计 紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单 个芯片上完成整个系统的功能。 为了缩短s o c 设计周期，提高系统的可靠性，必然要使用成熟优化的i p 内核模块来进行设计集成和二次开发，利用胶粘逻辑技术g l t ( g l u el o g i c t e c h n o l o g y ) ，把这些i p 内核模块嵌入到s o c 中。i p 内核模块是s o c 设计的基 础，究竟购买哪一级i p 模块，要根据现有基础、时间、资金和其他条件权衡确 定。基于i p 核的嵌入式系统设计，使系统设计从板级进入芯片级，对系统工程 师提出了更高的要求。 1 3 当前集成电路设计的流程和方法 前面从设计方法学的角度把集成电路设计分为四种：面积驱动设计、时序 驱动设计、基于模块的设计和基于平台的设计。但是在具体设计过程中，会有 7 第一章前言 不同的具体设计流程和方法。 1 3 1 当前集成电路设计的典型流程 由于s o c 尚未进入成熟期，目前a s i c ( 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 s ) 设计是集成电路设计的主流。下面以a s i c 设计为例介绍当前集成电路设计的 典型流程( 见图1 2 ) 。 图1 2 集成电路设计典型流程 系统级设计主要是设计系统的体系结构，对系统进行模块划分，定义端口 信号，并设计整体时序。为了确保系统设计的可靠性，通常在系统级设计阶段 需要对系统进行行为建模，然后通过仿真验证系统设计的正确性。通常使用c 语言进行系统行为建模，最近又流行了象s y s t e mc 这样专门面向系统级建模的 语言。h g d o g r 0 1 项目用c 语言对系统设计进行了建模，增强了系统设计的可 靠性。 r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e rl e v e l ) 硬件语言描述是在寄存器传输级对各个模块 进行语言描述，通常使用v e r i l o g 语言和v h d l 语言进行描述。在这一层次需 要对设计做仿真，称为r t l 仿真，r t l 仿真保证了r t l 描述在功能逻辑上的 正确性。 综合可以把语言描述的设计映射到实际的工艺上加以实现。这时得到了设 计的门级电路，在综合库中有各个门单元的工艺参数，如门延时等，所以综合 后的设计具有了一定的工艺信息，对它可以做门级仿真，门级仿真相对于r t l 级仿真来说增加了门延时。 综合并通过门级仿真后，可以对门级网表做布局布线，得到设计的版图。 从版图中可以提取出连线延时等一些更详细的物理参数，把从版图中提取的参 第一章前言 数反标到门级网表中，可以进行布局布线后仿真，此时对设计进行的仿真非常 接近于实际的电路。布局布线后仿真通过，且从版图中提取的网表与布局布线 前的门级网表相比较一致，就完成了全部的设计流程。 1 3 2 集成电路设计的方法 集成电路设计有许多具体的方法，这些方法适用于不同的设计要求。设计 者可以根据产品的产量、设计复杂度、设计周期的约束等决定使用哪种方法。 全定制法 全定制法的特点是针对每个晶体管进行电路参数和版图的优化，以获得最 佳的性能( 包括速度和功耗) 以及最小的芯片面积。这种设计方法的工作效率 很低，设计周期很长，设计成本很高。全定制法适用于要求得到最高速度、最 低功耗和最省面积的芯片设计。 定制法 定制法通常分为两大类：标准单元法和通用单元法。两种方法都采用精心 设计的单元库，只是标准单元法采用的单元高度相等，宽度不等；通用单元法 采用的单元高度和宽度都不等。设计时只需调用单元库中的单元，然后进行布 局布线生成设计电路的版图，所以统称为库单元法。定制法适用于芯片性能指 标比较高而生产批量比较大的芯片设计。 半定制法 半定制法使用于要求设计成本低，设计周期短而生产批量又比较小的芯片 设计。一般采用此方法设计出产品并投入市场，在占领市场后再用其它方法进 行一次再设计。 半定制法包括数字电路门阵列和线性阵列( 1 i n e a ra r r a y ) 两大类。前者简称 为门阵列，它又分为通道门及门海两种。门阵列和线性阵列都是预先在芯片上 已生成了由基本门( 或单元) 所组成的阵列，即完成了连线以外的所有芯片加 工工序。设计完成后只需加工接触孔和连线即可实现设计。通常这种方法对门 阵列的利用率较低，芯片的面积较大。 模块编译法 模块编译法是一种全自动的设计方法。先对设计模块的性能进行描述，再 通过编译直接得到电路的掩膜版图。这种方法适用于r o m 、r a m 、a l u 、移 位寄存器、乘法器等规则结构和模块式结构的芯片设计。 可编程逻辑器件法 f p g a ( f i e l dp r o g r m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 与c p l d ( c o m p l e xp r o m g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻 9 第一章前言 辑器件，它们都可以编程写入复杂的组合、时序逻辑，并且在实验室内就可以 实现，逻辑修改也非常方便，所以深受系统设计人员的喜爱。 用可编程逻辑器件进行设计可以大大缩短设计的周期，降低设计风险，对 于产量小的设计，成本可以得到较大的降低。由于可编程芯片内部逻辑的利用 率较低，每片芯片都会有浪费，所以当产品的产量很大时，使用可编程逻辑器 件将使产品的成本过高。所以可编程器件法一般在电子系统的开发阶段使用， 可以做设计的器件测试( e m u l a t i o n ) ，对设计进行诊断，h g d 0 8 r 0 1 就采用了 f p g a 验证设计。随着可编程器件成本的不断降低及电子系统更新换代的速度 加快，可编程器件的应用越来越普及。 基于i p 重用的设计方法 s o c 设计一般采用多个i p 模块，包括d s p i p 、m p u i p 及存储器i p 等，设 计者把这些i p 组合起来实现一个系统的功能，然后对整个设计进行仿真验证， 对局部进行修改。这种设计方法相当于把以往的系统集成放到芯片设计中完成， 各个i p 就像以往的芯片。运用i p 的方法使设计提高到一个较高的层次，设计 者可以把注意力放在系统级设计上。 1 4 课题工作内容、意义和论文结构 1 3 1 课题工作内容 本论文源自合肥工业大学微电子设计研究所承担的国家“九五”重点科技 攻关项目，专题名称是“微控制器( m c u ) 系列产品开发及应用9 7 7 5 8 一0 1 5 3 ”， 子专题“m c u 高层语言描述及其嵌入技术研究”，合同编号9 7 7 5 8 0 1 5 3 0 8 。 该子专题的目标是掌握微控制器( m c u ) 高层语言( 硬件描述语言) 描述的方 法，以及采用自上而下( t o p d o w n ) 的方法进行自主知识产权芯片设计的相关 技术。 本人的课题工作内容主要包括以下几点： h g d 0 8 r 0 1 软核的设计 在分析m i e r o e h i p 公司p i c l 6 c 5 7 芯片的基础上，确定系统的结构和划分， 用v e r i l o gh d l 硬件描述语言描述各功能模块，然后完成r t l 级仿真。 h g d 0 8 r 0 1 软核的f p g a 验证 用m a x - p l u s i i 软件对设计进行f p g a 综合，然后通过门级仿真验证，设计 f p g a 验证用的p c b 板，最后在f p g a 测试系统中完成设计的f p g a 器件验证。 h g d - 0 8 r 0 l 软核的a s i c 实现 采用1 2 u r n 工艺库对完成的设计进行a s i c 综合、门级仿真、自动布局布线 1 0 笙= 兰萱童一 以及设计蕊莉检查、网表院较等一系列工佟，最终荦导刭褒c o m p a s s 软l 牛环境 中实现的h g d 0 8 r 0 1 软核的物理蔽胬，荠将其交给王艺线滚片。 1 3 。2 课戆王佟豹意义 本课题源商国家九五踅点科技攻关顼爵，其宥耋要的意义。具体翔下： 为i p 设计提供了实践经验 本项目按照囱上而下的设计方法，从语言描述、综合、仿真测试到布局布 线、舨熙设计等，摸索了一套e d a 工具，掌握了i p 设计的基本方法。在项目 进行过程中逯到过许多的爨难，但也因此积累了i p 设计的许多实践经验。这些 经验为戳看设计歪多曼好的l p 葵定了璺实的基础。 2 掌握了r i s c 指令系统m c u 设计的关键技术 m c u 设计是集成电路设计领域较为高端的技术，本项舀克服了许多函难， 了解并掌攫了r i s c 指令系统m c u 的体系结构设计、译码、硬布线控制设计、 看门狗设计等等一系列r i s cm c u 设计的关键技术。在此基础上，未来设计出 更功能更为强大，性能更为突坦的r i s cm c u 已成为可悲。 h g d e 8 r 奄l 软核其鸯重要数产业化意义 m c u 的应嗣领域稻当广泛，扶家用电器、工业控制、到汽车、仪器仪表等 等，到处都可以觅蓟m c u 的身影。m c u 楚系统的核心部分，其设计相对复杂， 所以m c u 设计技术是集成电路设计领域及电子信息领域的一项核心技术。掌 握了这项技术，就可以生产制造出信息产业领域具有完全自主知识产权的产品， 对我国信息产业的蜒起鸯不可忽略的撼动作用。 弗基予l p 嬲泼入式系绞设计奠定了基础 嵌入式系统设计正步入基予l p 的s o c 游代，微控制器是嵌入式系统款核 心，所以m c u 软核楚构筑基于i p 的嵌入式系统韵核心，h g d 0 8 r 0 1 颂籍韵成 功为基于i p 的嵌入式系统设计打下了坚实的基础。 1 3 3 论文结梅 本论文共分为八章。 第一章前言，介绍了集成电路设计的概况，当前集成电路设计的方法和流 程以及课题王 乍的内容秘意义。 第二章指令系统敷顼层设计，夯缨了h g d 0 9 r 0 1 的攒令系统翻顶层结构， 探讨了r i s cm c u 韵指令系统以及m c u 豹体系结构。 第一章前言 第三章数据通道的设计，介绍了h g d 0 8 r 0 1 的数据通道组成，说明了存储 器的结构、寄存器的功能和a l u 的结构等。 第四章时序发生器部分的设计，介绍了h g d 0 8 r 0 1 的时钟设计、复位设计、 整体时序设计以及看门狗和分频器的设计，探讨了m c u 时序设计的相关技术。 第五章指令译码与硬布线设计，介绍了h g d 0 8 r 0 1 的译码与硬布线设计， 从硬件描述的角度，探讨了基于数据通道的m c u 控制部分的设计。 第六章v e r i l o gh d l 语言设计，介绍了使用硬件描述语言进行代码设计的 要点，并给出了一些设计实例，探讨了m c u 高层语言描述的相关技术。 第七章h g d 0 8 r 0 1 的仿真验证，介绍了仿真验证方法与流程，探讨了软核 验证的相关技术。 第八章总结与展望，总结了论文的工作，并对将来的工作设想做了介绍。 第二章指令系统和顶层设计 第二章指令系统和顶层设计 选择适当的设计指标对项目研究是非常重要的，在设计指标时要考虑到设 计的能力和研究的方向。综合各方面的因素我们选择了p i c l 6 c 5 7 微控制器作 为制定设计指标的参考。 微控制器( m c u ) 在我国常称为单片机，它的运用很广，种类繁多，m i c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机是其中性能杰出的一类产品。p i c l 6 c 5 7 单片机采用了 宽度为8 位的r i s c 指令，因为r i s c 指令系统是微处理器研究的一个重要方面， 8 位宽度指令作为微处理器研究的起点比较合适，且产品市场需求广阔，所以 我们把它作为h g d o s r 0 1 的功能定义和系统结构的参照物。 下面从h g d 0 8 r 0 1 的指令系统和顶层设计开始，阐述h g d 0 8 r 0 1 软核的 设计。 2 1 指令系统 h g d 0 8 r 0 1 采用了p i c l 6 c 5 7 的指令集，具有看门狗、分频器和计数器等电 路，其功能与p i c l 6 c 5 7 完全兼容。h g d 0 9 r 0 1 的指令系统是r i s c 指令系统， 仅有3 3 条指令，寻址方式简单。指令的宽度是固定的1 2 位，除了条件测试指 令和程序分支指令是两个周期外，所有指令的执行周期都是一个指令周期。 2 1 1 指令种类 h g d 0 8 r 0 1 的指令可以分为如下几类： 传送指令 传送数据，可以在寄存器之间和寄存器与存储器之间传送数据，也包括寄 存器清零指令，因为这相当于把0 送给了寄存器。 算术逻辑运算指令 包括加法、减法、自加l 、自减1 的算术运算指令和“与”、“或”、“非”、 “异或”的逻辑运算指令。 移位指令和半字节交换指令 包括左移和右移指令及半字节交换指令。 位操作指令 第二章指令系统和顶层设计 包括对位的置位、清除和测试指令。 程序分支指令 包括子程序调用、程序转移指令和返回指令。 睡眠指令和空操作指令 空操作指令不执行任何操作，执行睡眠指令时工作时钟停止振动，降低功 耗。 2 1 2 指令格式 指令分为操作码和操作数，操作码指明进行操作的种类，操作数指定被操 作的对象。 h g d 0 8 r 0 1 的指令格式可以分为四种，见图2 1 。 图2 1h g d 0 8 r 0 1 指令格式 所有指令的操作码都是指令代码的高几位，指令代码的低几位是寄存器的 地址位( f ) 、立即数( k ) 或者转移地址( k ) 。对于位操作，指令代码中还有3 位的位选择( b ) ，需特别指出的是对于面向寄存器字节操作的指令，其代码中 有一位( d ) ，它决定操作的结果存放在工作寄存器里或者是存放在寄存器文件 中。 2 1 3 寻址方式 h g d 0 8 r 0 l 主要有如下几种寻址方式： 立即寻址，立即寻址方式中，立即数包含在指令代码中，它是指令代码 的低8 位； 直接寻址，存放操作数的寄存器文件地址包含在指令代码中，它是指令 代码的低5 位； 间接寻址，f s r 寄存器中存放地址指针，i n d f 是一个虚拟寄存器，访 问i n d f 时，地址由f s r 提供； 隐含寻址，有些指令中隐含了对工作寄存器的寻址，如o p t i o n 等； 2 1 4r i s c 指令集和两级指令流水 1 r i s c 指令集 h g d 0 8 r 0 1 是一种r i s c 的m c u ，它具有许多r i s c 机的特点，集中体现 为如下两点： 所有指令都是固定的1 2 位，都是单字的宽字位指令，除了程序分支 指令是双周期的，其余指令都是单周期的指令： 指令的功能不交叉，指令格式只有简单的几种，寻址方式较少； 上述几点突出体现了h g d 0 8 r 0 1 的r i s c 风格，从中可以发现哈佛结构和 后面将介绍的两级流水结构与r i s c 指令系统有着非常密切的关系，因为从体 系结构来看，它们是h g d 0 8 r 0 1 的三个突出的特点，所以把它们分别做详细的 介绍。