（微电子学与固体电子学专业论文）基于ip核的soc宏模型设计方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着i c 设计技术的不断进步，s o c 凭借其低成本，低功耗，高集成度的优 势越来越广泛地应用于各个领域。对于集成电路设计者，如何在有限的时间内设 计出满足要求的高性能集成电路系统成为i c 设计工程师最需要考虑的问题。基于 i p 核的设计方法为设计者提供了便捷的实现方式。它使整个设计流程不必从最底 层丌始，而仅需要调用已成熟的设计模块像搭建积木一样来构建自己的系统。 尽管如此，由于s o c 系统往往包含数千力- 个晶体管，因此系统分析对硬件条 件及时耗有着非常高的要求。对于强调缩短上市时间的集成电路业产业来说这是 不可接受的。宏模型有着与被描述模块完全或者相似的外部端口特性，并具有简 单的内部结构。因此用宏模型描述的i p 模块设计s o c 系统可以极大降低对计算机 的硬件及分析时间要求。 本文从宏模型的系统架构，构建方法入手，在具体分析现有的宏模型设计技 术之上提出了一种适用于复杂逻辑数字模块的宏模型建立方法。本方法基于逻辑 状态函数表，将模块的输入端与输出端建立直接的状态表函数关系。采用从存储 器读取输出态的方式得到模块的输出，从而节省了冗繁的计算分析时间，提高了 系统的设计效率。另一方面，这种归纳具体电路函数关系的方式由于展现出来的 仅仅是一种函数意义上的对应关系，而非具体实现功能的电路或者相对应的实现 语言，因此，采用这种方法也可保证电路模块的设计细节不被窃取。 本文所涉及的系统为一款采用总线结构的精简指令集8 位c p u ，在详细阐述 该c p u 设计过程的基础之上，按照本文所提出的模型建立方法建立了各模块的宏 模型，并将其组合构建为宏模型系统。最后与行为模型电路仿真波形相对比，证 明了该方法的j 下确性与可靠性。同时，本文也介绍了基于宏模型的s o c 验证法。 作为三大形式化验证法之一的宏模型验证法可以很好地解决大规模集成电路中固 有的状态爆炸性问题，因此是最为有效的s o c 验证法。本文最后将利用所建立的 宏模型系统验证该8 位c p u 设计的可实现性。 本文研究成果： 1 深入分析了宏模型的系统架构。 2 详细研究了8 位c p u 的设计方法。 3 在现有基础之上，提出新的宏模型构建方法。 4 建立了8 位c p u 系统宏模型，并验证了设计成果。 关键词：s o c ；宏模型；口核；逻辑状态函数表；形式化验证 分类号：t n 4 0 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi cd e s i g nt e c h n i q u e s ，s o ch a sb e e n w i d e l yu s e d i nv a r i o u so ff i e l d sd u et ot h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，l o wp o w e r d i s s i p a t i o na n dh i g hi n t e g r a t i o nd e n s i t y h o wt ow o r k o u ta ni cs y s t e mw h i c hh a sh i g h p e r f o r m a n c ei nal i m i t e dp e r i o dh a sb e c o m ea c r i t i c a lq u e s t i o nf o ri cd e s i g ne n g i n e e r s t h ed e s i 印m e t h o d sb a s e do ni pc o r ep r o v i d ec o n v e n i e n tw a y f o r t h ed e s i g n e r s b yt h i s m e a n s d e s i g n e r sd o n tn e c e s s a r i l ys t a r tf r o mt h eb o r o m ，j u s tu s i n gt h e m a t u r em o d u l e s t ob u i l du pt h e i ro w ns y s t e mb e c o m e sp o s s i b l e h o w e v e r , a n a l y s i sf o rt h es o c s t i l lh a s h i g hr e q u i r e m e n tf o rt h eh a r d w a r ea n dt i m es i n c et h es o cs y s t e ma l w a y sh a st e n so f m i i l i o n so ft r a n s i s t o r s i t si n f e a s i b l et oa n a l y z ew i t ha c t u a lc i r c u i t s m a c r o m o d e lh a s c o m p l e t eo rs i m i l a re x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t s i d ep o r t sa n ds i m p l e i n t e r n a l s t r u c t u r e s a l lt h e s ef e a t u r e s c o n t r i b u t et ot h es h o r ta n a l y s i st i m ea n dh a r d w a r e r e q u i r e m e n ti fi pm o d u l e s a r ed e s c r i b e db ym a c r o m o d e li nt h ed e s i g no fs o cs y s t e m t h i sp a p e rs t a r t sf r o mm a c r o m o d e l ss y s t e ma r c h i t e c t u r ea n db u i l d i n g - u pm e t h o d b a s e d o nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fc u r r e n tm a c r o m o d e ld e s i g nt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t s am a c r o m o d e le s t a b l i s h i n gm e t h o dw h i c hi ss u i t a b l et od i g i t a lm o d u l ew i t hc o m p l e x l o g i c t h ep r e s e n t e dm e t h o dd e p e n d so n t h el o g i cf u n c t i o ns t a t et a b l ew h i c he s t a b l i s h sa d i r e c tf u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o d u l e si n p u tp o r t sa n do u t p u tp o r t s t h eo u t p u t s t a t e sc o u l db er e a df r o mm e m o r y , t h u st h et i m e - c o n s u m i n ga n a l y s i sp r o c e s sc o u l db e s h a r p l vr e d u c e da n df u r t h e ri n c r e a s et h ea n a l y s i se f f i c i e n c y o n t h eo t h e rh a n d ，t h i s p r e s e l a t e dm e t h o do n l ys h o wt h ef u n c t i o n a lc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u t a n do u t p u tp o r t s ，b u tn o tt h er e a l i z a b l ec i r c u i t s o rt h ec o n c e m e dr e a l i z a b l ed e s i g n l a n g u a g e s ，t h u st h i sm e t h o dg u a r a n t e e st h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo f t h ed e s i g n e ra n d p r e v e n t st h ed e s i g nd e t a i l sf r o ms t e a l i n g t h es v s t 锄s h o w e di n t h i sp a p e rr e f e r s t oa8 一b i tc p uw h i c ha d o p t e dt h er e d u c e d i n s t m c t i o ns e t o nt h eb a s eo ff u l la n a l y s i so ft h ed e s i g np r o c e s s e so ft h i sc p u ，a l lt h e m a c r o m o d e l so ft h em o d u l e sa r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o t h ep r e s e n t e dm a c r o m o d e l d e s i g nm e t h o d ，a n de v e n t u a l l y a s s e m b l e st h em a c r o m o d e l s y s t e m c o m p a r i n g w a v e t a b l e sw i t ht h e b e h a v i o r a lm o d e l s ，t h ev a l i d i t y o ft h i sm e t h o di sv e r i f i e d f u n h e 肌o r e m ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fs o c b a s e do nm a c r o m o d e li sa l s or e f e r e di n t h i s p a p e r a so l l e o ft h et h r e ef o r m a lv e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，m a c r o m o d e l v e r i f i c a t i o nc o u l dp e r f e c t l ys o l v et h es t a t ee x p l o d i n gp r o b l e mw h i c ha l w a y se x i s t si n v n a b s t r a c t v l s i w h i c hr e n d e r si ta st h em o s tu s e ds o cv e r i f i c a t i o nm e t h o d i nt h ef i n a lp a r to f t h i sp a p e r , t h ef e a s i b i l i t yo ft h e8 - b i tc p ui sp r o v e db yt h ep r e v i o u s l ye s t a b l i s h e d m a c r o m o d e ls y s t e m t h ep r i m a r yf r u i t so ft h ep a p e r ： 1 m a c r o m o d e l ss y s t e ma r c h i t e c t u r ei sa n a l y s e d 2 t h ed e s i g np r o c e s so f8 一b i tc p ui ss t u d i e di nd e t a i l s 3 o nt h ec u r r e n tf o u n d a t i o n s ，an e we s t a b l i s h i n gm e t h o df o rm a c r o m o d e li ss h o w e d 4 t h es y s t e mm a c r o m o d e lo f8 - b i tc p ui sa s s e m b l e d t h ed e s i g nt h o u g h ti sv e r i f i e d k e y w o r d s ：s o c ；m a c r o m o d e l ；i pc o r e ；l o g i cs t a t ef u n c t i o n a lt a b l e ；f o r m a l v e r i f i c a t i o n c i a s s n 0 ：t n 4 0 2 独创性声明 独创，l 生声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：极锯 签字只期： 加。气年月ig n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的舰定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 极编 i 签字日期：沪斫年么月jg 同 导师签名： j - f 瑷 签字日期：2 闪彳年月7 同 致谢 本论文的相关工作是在我的导师李哲英教授的悉一b 指导下完成的，李哲英教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的影响和帮助。在此衷。b 感谢多 年来李老师对我的关心和指导。 在实验室工作及完成论文期蒯，梁仁杰，李子扬、朱振华等同学对我论文的 撰写及研究工作给予了热情而细致的帮助，在此也向他们表达我的感激之情。 最后，要特别感谢我的父母，是他们在生活上对我的关心，在学习上对我的 理解与支持才使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 1研究背景 1 引言 集成电路产业自上世纪七十年代到今天，一直遵循着摩尔定律在不断向前发 展，即每两年集成度增加4 倍，成本降低1 2 。随着集成电路设计和制造工艺的进 步，芯片设计已进入到s o c 阶段，即可以在单个芯片上实现一个系统的集成。当 今的s o c 能够在一块芯片上整合c p u 、d s p 、数字电路、模拟电路、存储器及片 上可编程等多种电路，综合实现图像处理、语音处理、通信协议、数据处理等多 种功能。专家预计，在今后1 0 年罩集成电路产业仍将继续遵循摩尔定律向前发展， 且仍将有2 0 年的增长期。当今集成电路发展的特征主要体现在尺寸小型化与功能 整合化这两个方面。 1 ) 尺寸小型化：晶体管的特征尺寸将继续缩小，从已广泛应用的深亚微米级到逐 渐成熟的纳米级。 2 ) 功能整合化：片上系统芯片( s y s t e mo n ac h i p ) 可以在一块芯片上整合c p u ， d s p ，数字模块，模拟模块，存储器以及可编程逻辑等多种混合电路，完成如 图像处理，通信协议处理等复杂任务。s o c 已成为微电子技术发展的重中之重， 并将继续深入下去。 集成电路制造工艺水平总是超前于设计能力，设计水平已成为集成电路产业 发展的一个瓶颈。尤其对于i c 设计公司来说，一个产品从概念设计与产品推出需 要冗长的设计流程，而t i m e t o m a r k e t 是i c 公司生存的关键。越早推出新产品， 将越有可能占据竞争优势地位。如何缩短这个时间则是任何i c 公司都需要重点考 虑的问题。基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的s o c 设计为设计者提供了极大的便利。 设计者不必按照传统的方式从底层出发设计具体的电路，而只需从系统级上构建 自己的设计理念，再将已经成熟的功能模块整合起来以构成自己的系统。这种方 式大大缩短了整个设计周期。同时，对独立的高性能模块进行保护也有益于推动 i c 设计领域的创新。 一块大规模的s o c 芯片往往集成数千万，甚至数亿个晶体管。对于设计者来 说，如果全局分析全电路模型，将是一件极为耗时，甚至无法完成的工作。因此 设计者往往采用口模块的宏模型来代替具体电路模块对系统进行仿真分析。这可 以节省大量的分析时间，加快设计进程。而对于提供i p 核的厂商来说，也可以保 北京交通大学硕十学位论文 证产品设计细节的保密性。因此，宏模型在s o c 设计中越来越受到重视。如何方 便高效地设计符合要求的电路宏模型成为业界研究的重点。 1 2宏模型研究的发展现状 随着集成电路技术的发展，电路仿真变得越来越重要。与电路仿真紧密联系 的宏模型技术从2 0 世纪7 0 年代起就得到了人们越来越多的关注，相继出现了许 多常用的数字，模拟集成电路的宏模型，如运算放大器宏模型，比较器宏模型和 模拟相乘器宏模型等。也有人提出数字电路基本单元( 例如：门电路和寄存器) 的宏模型以及锁相环宏模型。近几年来，有关a d 、d a 转换器的宏模型、脉宽 调制器( p w m ) 等结构较为复杂的模拟集成电路芯片宏模型也逐渐受到关注【1 1 。 业界对于宏模型的研究已有多年，到今天已发展出多种高效的设计理念与设 计方法。对于e d a 厂商来说，在所提供的商业性集成电路设计软件中，都带有丰 富的宏模型资源库，使用e d a 软件的设计者可以方便地调用常用的宏模型模块进 行设计。如何设计适合于自己e d a 工具的i p 宏模型是厂商的重要任务。宏模型 主要分为数字，模拟及混合三种。按照不同的宏模型设计理念与方法设计出来的 宏模型也各具特点。宏模型构建方法多种多样，可以用具体电路来实现，也可以 完全以抽象概念来描述。当今宏模型的设计法有电路简化法，函数法，硬件描述 语言法，电平法等。无论何种方法构建的宏模型，它们的共同特征是具有与被描 述电路相同或者相近的外部端口特性，即宏模型的等效性。 1 3论文主要研究内容 本文从宏模型的发展现状入手，研究了现有的数字模块宏模型设计方法，在 此基础之上提出了一种新的适用于s o c 系统的数字宏模型设计方法。该方法融合 几种已有的设计理念，在分析数字系统时具有突出的优势。 第二章介绍了宏模型的基本理论，主要包括模型架构，宏模型建模基本原则 与方法，同时详细介绍了几类主要的宏模型构建法。 第三章具体阐述了一款8 位c p u 的具体设计过程，为后续建模做好铺挚。本 章末结还介绍了系统的层次化设计。 第四章是本文重点，详细论述了8 位c p u 的模型建立，从模块模型建立到系 统模型构建都作了深入分析。 第五章主要涉及以宏模型为基础的s o c 验证理论与验证策略。 第六章是对全文所做工作的总结。 s o c 宏模型理论 2s o c 宏模型理论 所谓宏模型( m a c r o m o d e l ) ，是将一个功能模块看作一个“黑匣”，不考虑其内 部元器件的具体连接关系，而只将该功能模块的外端口特性用一个简单的模型模 拟出来，即宏模型进行等效。以保证其外部特性与原功能模块的外部特性完全或 近似一致。同时，也要保证一定的精确度。采用宏模型技术会使系统分析量和时 耗得到极大改善，提高设计效率，并且也有益于促进业界的模块标准化设计f 2 】。 在s o c 设计广泛应用于电子领域各个方面的今天，宏模型成为i c 领域研究的 一项重点，它提供的不仅是解决大规模集成电路系统分析的方法，而且带来了一 种基于i p 核设计的设计思想。 2 i宏模型概述 宏模型技术在s o c 领域一直是研究的热点。它是针对大规模集成电路仿真技 术所提出来的简化电路模型技术。在对小规模的电路系统进行仿真分析和设计中， 通常采用的是全电路模型，这种模型建立在器件级基础之上，而这种分析方式对 计算机的内存，c p u 处理速度都有相当高的要求。如果内存或处理速度太低，精 确分析所耗的时间将是惊人的。而对于大规模或者s o c 系统分析来说，就算硬件 条件已经相当高，对于随系统规模呈几何级数增长的数据运算量来说也几乎难以 完成。在这种情况下，引入宏模型技术则可以获得较快的分析速度，提高设计效 率。若模型选择得当，也可以得到很高的分析精度。宏模型描述的是模块的静态 或者动态的端e l 行为特性，与原电路有相同的端口相似度及精确度，在硬件条件 一般的情况下也可以大大缩短仿真分析时间，提高设计效率。 在很多电子设计自动化工具中，都包含有丰富的模型库，为芯片设计者提供 基本功能单元的宏模型，以减少设计时间，降低设计成本，促成i c 设计公司尽可 能早地丌发出产品并投放市场。美国a n a l o g y 公司( 已被s y n o p s y s 公司收购) 丌 发研制的e d a 工具s a b e r 就提供了一个比较全而的单元宏模型库，每个模型都有 可调的特征参数，以满足设计者不同的需要【3 】。在实际应用中，模型库并小是力能 的，当库中的单元模型不符合设计要求时，还需设计者自己来设计符合要求的模 型。为了得到一个芯片的有效宏模型，首先要将芯片进行模块划分，然后对每个 模块进行单独设计。各个模块的宏模型设计应尽量利用模型库中提供的单元，以 提高设计效率。当内部提供的宏模型不能满足设计者的设计要求时，设计者再自 己设计宏模型并添加到整个系统中。 3 北京交通人学硕十学位论文 宏模型实际上是一种“黑箱”描述。如图2 1 所示，模块a 与“b l a c kb o xo f m o d u l ea 具有完全相同的输入输出端口设置以及一致或者相近的端口特性。宏 模型设计也就是按照建模原则完成这一“黑箱 的建立。 i n p u t l i n p u t 2 i n p u t 3 i n p u t 4 l n p u t l i n p u t 2 i n p u t 3 i n p u t 4 2 2宏模型架构 厂、 m o d u l e a 图2 i “黑箱”描述 f i g 2 - 1 “b l a c kb o x d e s c r i p t i o n o u t p u t l o u t p u t 2 o u t p u t 3 o u t p u t 4 o u t p u t l o u t p u t 2 o u t p u t 3 o u t p u t 4 在具体分析宏模型之前，必须对它的架构有一个宏观了解，主要包括它的构 建与选择，下面从两个方面来具体介绍。 2 2 1宏模型的构建 宏模型包括数字电路宏模型，模拟电路宏模型以及混合电路宏模型。宏模型 有多种构建方法，最主要的宏模型构建法包括简化法( s i m p l i f i c a t i o n ) 和构造法 ( b u i l d u p ) t 4 1 。 简化法是在原电路的基础上去掉部分电路元件，同时保证在分析电路或作灵 敏度分析的自，j 提下，去掉的是对原电路功能影响不大的部分。简化后的电路称为 简化电路模型。 构造法是在充分分析原电路外部特性或内部电路功能的前提下构造另一个更 加简洁的“黑箱 电路，核心是保证其端口特性与原电路特性一致，而两者的内 部结构可以完全不同。 细分可将宏模型的构建分为7 大类【5 】，如图1 2 所示。 4 s o c 宏模型理论 图2 - 2 宏模型构造法 f i g 2 2t y p e so fm a c r o m o d e l ( 1 ) 电路简化宏模型 在原电路的基础上，略去一些次要元件，使简化后的电路模型特性与原电路 特性相似，误差则控制在允许的范围之内。这一方法比较适合于a s i c 设计。 ( 2 ) 电路函数宏模型 这种模型不再用元件构成的电路作为模型，而是用电路输入、输出构建的函 数微分代数方程( 组) ，传输函数来描述电路的特性。由于并不涉及具体电路实现， 因此常用于系统级建模中，最主要的特点是节省运算时间。 ( 3 ) 电路特性宏模型 这是模拟原电路外部特性的一种电路模型。需要具体分析电路的实现方法。 其内部构造可以与原电路完全不同，甚至可以是一个超现实，不具有物理意义的 概念“电路”。构造这种模型的方法属于构造法。它的优点是具有较高的精度，a s i c 设计中大量用到这种模型。 ( 4 ) 表格特性宏模型 这种宏模型不包含任何电路元件和方程，原电路的特性用一个数据表来描述。 对于所有的输入和负载条件，所有的输出，输入特性均用数据形式存贮于表格中。 这些数据或是通过对电路作预先分析得到，或是通过测量得到。此模型的优点在 于运算速度特别快。缺点是对于复杂电路需要预分析的数掂量会很大，如大舰模 数字模块中的真值表。 ( 5 ) 电平特性宏模型 由于数字电路值都是由特定电平来确定的，如果给出某时刻的电平高低，在 电平未转变的时刻确定为前时刻的电平，当电平转变时再确定下一个电平值， 并保持到下一次电平转换。以这种方式也可以构建基于电平的宏模型。 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 硬件描述语言( v c r i l o gh d l v h d l ) 宏模型 将电路功能模块以硬件描述语言( h d l ) 的方式构成相应的宏模型。由于基于全 可综合h d l 语言的模块可以综合出可实现的电路，因此这一宏模型技术在进入超 大规模a s i c 时代后被广泛应用。 ( 7 ) 连线宏模型 由于在亚微米，深亚微米级阶段后，连线延迟的影响已远远大于门延迟，因 此连线模型也必须重点加以考虑。连线宏模型是将一段连线等效为若干个电路元 件。根据线路布局不同，采用的器件不同，周围连线的走向不同分别采用不同的 模型。 2 2 2宏模型的选择 对于不同的电路，选择宏模型不能一概而论，应根据具体的电路形式，精度要 求，功能要求，时序要求，工艺条件等各方面综合考虑。例如，在设计模拟电路 的放大器部分时，在保证精度的前提下最好选择简化法。而对于一个大规模，多 引脚的纯数字电路，硬件描述语言( h d l ) 则是较好的选择。在当h d l 描述成为 标准电路，且具有可综合的软件支持后，用h d l 语言对数字电路建模并综合出最 终电路极大提高了设计效率。而对于数模混合电路来说，利用适于数模混合建模 的v c r i l o g a m s ( v h d l a m s ) 语言进行建模将是首选。 2 3宏模型建模 建立宏模型不是随心所欲地构建电路模块。为了达到利用有限的硬件条件， 尽可能缩短分析时问，准确仿真模块端口特性等要求，宏模型的建立必须遵循一 定的原则。 2 3 1宏模型建立原则 ( 1 ) 原电路的主要端口特性必须在宏模型上体现出来 宏模型端口特性与原电路端口特性的误差要在允许范围之内，否则任何宏模 型描述都失去了意义。这里并不是要求宏模型能仿真原电路的所有输入输出特性， 而是针对不同的分析需求，建立只仿真原电路某一个或者几个方面特性的宏模型。 如直流宏模型只需要仿真原电路的直流特性，交流宏模型只需要仿真原电路的交 流小信号模型。 6 s o c 宏模型理论 ( 2 ) 模型构建应尽可能简单 宏模型的建立目的是简化电路，节省电路仿真工作量，以达到缩短t i m e t o m a r k e t 的时间。若仅仅是为了得到端口特性而胡乱堆砌电路，就算得到了一个 可以完全匹配原电路外部特性的模型，分析时耗得不到满足，那也是毫无意义的。 ( 3 ) 模型构建过程要尽可能简单 宏模型的建立过程称为预分析或者预仿真，一般由人工来完成。若分析工作量 庞大，会使模型设计周期过长。因此建立宏模型的过程也应该尽可能简便。 以上三条原则是宏模型建立所必须遵循的，另外，如模型的标准化，可移植性， 尽量利用现有模型进行改进等在设计中也应予以综合考虑。 2 3 2宏模型建模流程 宏模型技术是针对大规模集成电路仿真的一个有效解决方法。电路宏模型是原 电路的一种等效电路，它在输入输出特性即端口特性上与原电路在一定精度范围 内是一致的，但在结构上比原电路简单。宏模型无论从电路中的元件个数或者节 点个数看，都远远少于原电路。这大大降低了电路仿真对计算机内存的要求，并 节省了计算时间。如果根据需要采用专用的宏模型，如交流小信号或时域模型， 电路规模还可以进一步减小。当一个集成电路中含有多个相同的单元电路时，由 于模块的复用，采用宏模型后所节省的计算时间和内存都会更为可观。上述特点 使宏模型技术成为解决大规模模拟集成电路仿真难题的较好方法。在所有成熟的 商品化电路设计工具软件中都包含一个很大的电路模型库，其中各种集成电路芯 片的模型就是采用宏模型技术设计的。模型库中模型是否完备成为工具软件是否 成熟，是否适用的重要标志。 模拟集成电路宏模型的种类很多，在不同的电路仿真工具中可采用的宏模型种 类是不一样的。如前面所提到的，宏模型可包括：电路简化宏模型：电路函数宏 模型；电路特性宏模型；电路电平宏模型；表格特性宏模型；硬件描述语言宏模 型；连线宏模型以及适用于模拟及数模混合建模的v e r i l o g a m s ( v h d l a m s ) 宏模 型。实际构成的宏模型往往并不限于某一类，可以是几种类型的组合。选取哪种 方法设计宏模! 型，主要取决f 对于所描述电路特性的综合分析以及现有仿真器支 持模型的种类。加州大学b e r k e l e y 分校开发的通用电路仿真软件s p i c e 是目前国 际和国内广泛应用的电路仿真软件，目前大部分模拟集成电路宏模型都是基于 s p i c e 。但近几年来，除了s p i c e 及其改进版本如p s p i c e 、h s p i c e 外，还出现了 基于i e e e l 0 7 6 1v h d l a m s ( v h d lw i t ha n a l o g - m i x e ds i g n a l e x t e n s i o n ) 的仿真器 【6 】。由于v h d l a m s 可以对数模混合系统用同一种仿真语言进行描述，因而适合 7 北京交通大学硕士学位论文 于s o c 的系统级仿真。 宏模型的设计流程一般包括以下5 步： 1 ) 指标分析： 将所描述模块的具体设计指标作为设计目标，围绕这些指标要求来分析如何建 立整个系统，要完成哪些功能，如何完成，需要哪些模块等等。这是宏模型设计 的第一步，指标要求必须明确，这样在后续的步骤中才有具体的工作方向。例如： 设计一个解码器，具体考虑的指标应包括工作频率，地址位宽，工作电压范围等 等。 2 ) 功能划分： 在明确指标的基础之上分析达到这些指标需要何种功能电路来完成以及各部 分如何相互配合完成工作等。 3 ) 模块划分： 按功能将整个系统划分为几个部分，每部分执行特定功能，明确各模块端口间 的联系，如何在时序上相互配合，执行步骤等等。 4 ) 宏模型构建： 在模块划分完成之后可以由三种方法来得到所需要的功能模块。一是直接调用 e d a 工具宏模型库中所提供的特定宏模型。完善的设计工具一般都提供给设计者 丰富的功能模块，供设计者调用。由于并非所有模型库中的模块都完全满足设计 要求，因此，在功能相近的情况下，可以在所提供的功能模块基础之上对其进行 修改，以满足设计者对模块宏模型特殊的性能要求。这需要对该模块有深入的了 解。最后，如果没有能够直接调用或者修改的现成宏模块，则必须由设计者来自 己设计，这涉及到前面提到的多种设计方法。在下一章中将以8 位c p u 为目标来 详细阐述综合多种方法的宏模型复合设计。e d a 工具所提供的模块是经过验证的， 直接调用就能使用。而对于修改后或者完全重新设计的模块来说，验证是必不可 少的。模块融入系统后再发现错误则会耗费大量重新修改时间，因此在模块阶段 就应做到万无一失。 5 ) 系统构建： 在验证各模块无误后可将各模块整合成系统，这时的系统是由各宏模块组成的 宏模型系统。再经过系统验证无误后便完成了整个系统宏模型设计流程，参见图 2 3 。 宏模型的验证在整个设计中始终处于重要地位。对于每个模块以及整个系统 而言，全面的验证可以保证错误发生率处于最低水平，保证尽可能短的反复修改 时间。应尽量在初始阶段发现错误，避免错误累积到后期难以修正。宏模型的验 证理论与方法将在第5 章中单独介绍。 s o c 宏模型理论 图2 - 3 系统宏模型设计流程 f i g 2 - 3d e s i g nf l o wo fs y s t e mm a c r o m o d e l 2 4几类重要的构建法 2 4 1简化法 简化法是在对所描述模块深入分析的基础之上去除对主要性能指标影响不大 9 北京交通大学硕士学位论文 的部分，使得原电路的结构得到减化。简化后的电路可节省仿真分析时间，并能 保证在一定范围内的精度要求。 在精度要求较高时，宏模型的规模比原电路减小程度是有限的。因此在构造大 规模集成电路的宏模型时不能单纯采用这种方法。 2 4 2构造法 采用构造法建立的宏模型往往比用简化方法得到的宏模型有更大程度的简化， 而且采用构造法可以去除电路中的有源器件，在电路仿真时可显著减少计算时j 自j 和内存，因此绝大部分的电路宏模型是采用构造法建立的。但由于用构造法建立 宏模型时可采用的电路形式和描述方法很多，难于实现自动生成，而且宏模型的 设计质量在很大程度上取决于模型设计者的电路功底，且预分析的工作量较大。 实际上在构造宏模型的过程中往往并不局限于某一种方法，而是根据实际情况和 精度要求在宏模型的某一部分采用简化方法，而在其它部分采用构造法，这样设 计出来的宏模型才能既简单又满足精度要求。 2 4 3表格法 这种方法如前面所介绍的，不包括任何电路元件，原电路特性用数值表格形式 描述。各种输入及负载条件下模型的输出值都存储于表格中【7 1 。例如，用二维表格 描述非线性电阻特性，由于非线性电阻用数字函数难以描述，表格方式则可以方 便地展现出来，如表格2 1 。 表2 - 1 非线性电阻函数表 t l b 2 1n o n l i n e a rr e s i s t o rf u n c t i o nt a b l e v 伏 o0 51 o1 52 02 53 o3 54 04 55 05 56 o 6 5 i 毫安 0461 11 4 1 8 2 l2 52 83 03 63 84 l5 0 v 伙 7 o7 58 o8 59 09 5l o o1 0 51 1 o1 1 51 2 o1 2 51 3 o1 3 5 l 毫安5 76 8 7 9 9 2 11 01 1 912 213 0 1 4 316 218 52 0 12 3 02 4 3 表格模型便于描述非常复杂的特性，在电路分析时仅需要从相应位置调出与输 入对应的输出数值即可，几乎不需要计算量。表格宏模型具有较大的描述复杂电 路的优势。但同样需要大量的预计算以及存储数值的存储空间，且对于逻辑复杂 的系统，逻辑真值表将会非常庞大。 l o s o c 宏模型理论 2 5系统级建模 系统级建模是针对基于i p 核复用的s o c 系统设计所提出来的。这种设计方法 可大大提高s o c 的设计效率。前者的关键是i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核的可重复 使用，有点类似搭积木，其实质与芯片级宏模型设计方法类似。i p 核是设计者对 以往设计的标准化与模块化，主要实现一些常见而且有一定设计难度的功能。这 些核一般都经过验证，便于以后设计过程中再次使用。需要这些功能的设计者不 必重复设计这些积木，而直接使用这些i p 核即可，从而达到缩短设计周期和提高 系统可靠性的目的。 2 5 1i p 核分类 i p 核一般分为三类：软核，硬核，固核。 软核：它是基于硬件描述语言( h d l ) 的设计模块，指在寄存器传输级或逻 辑门级用硬件描述语言描述其电路功能。例如接口、算法、编译码和加密设计等 都可以用软核来实现。软核的特点在于使用灵活，成本低，但与具体加工工艺没 有关系，因此针对具体所选择的工艺可预测性较差，需要后期调整来完善设计。 硬核：是基于设计工艺，用版图形式来描述电路功能，例如存储器、模拟器 件模块等。它的特点是与具体制造工艺相关，制作版图时能直接使用，可靠性高， 但成本也较高。并且工艺改动时也不能修改原设计以适应新工艺。黼 另一种是介于软核和硬核之j 白j 的固核。这类m 核成本比硬核低，但可预测性 比软核好。 2 5 2基于高层次综合设计 基于高层次综合的设计方法是从系统级出发，希望能通过系统级描述语言来实 现较高的建模效率，并将时序和行为分丌建模，同时也支持软硬件混合建模，从 系统级到门级的无缝过渡以及在系统级进行系统性能的分析和调试。这种设计法 极大提高了设计效率。系统级建模法就是采用系统级描述语言对一个片上系统 ( s o c ) 进行描述，利用建模工具提供的模型库来实现对整个系统的统一高层次建 模。 传统的硬件描述语言，如v e r i l o g 和v h d l ，早在2 0 世纪9 0 年代术就已成为 主流的硬件建模语言，并广泛应用于现代数字集成电路设计中。但它对于系统级 模块的建模能力却远比不上c 和c + + 之类的高级语言。而另一方面，高级语言又 北京交通大学硕士学位论文 缺乏基于描述电路并行执行特性的硬件描述能力。明确硬件实现方法与软件实现 折中是系统级建模最重要的一点。s y s t e mc 的推出促进了以c + + 建模平台进行软 硬件协同设计的能力。但是，由于v e r i l o gh d l 和v h d l 具有从寄存器传输级到 开关级的强大描述功能，因此s y s t e mv e r i l o g 和s u p e r l o g 这种从v e r i l o g 及v h d l 发展而来的描述语言不仅具备对于r t l 级到开关级的较好描述能力，同时在系统 级描述上也有突出的优判引。 2 6本章小结 本章从宏模型的基本概念入手，分析了s o c 宏模型的系统架构以及七大类建 模方法。建模原则是一切宏模型建模所必须遵循的，无论以哪种方式来构建宏模 型，必须遵循的原则是：1 所描述模块端口特性的体现；2 模型结构的简单化；3 模型建立过程的简单化。宏模型建立原则是基本准则，任何一条相违背，建模都 是无意义的。 在本章中，介绍了适合于s o c 系统的宏模型设计流程，并具体分析了常用的 几类建模方法，为后续章节做了铺挚。 后续章节将从研究典型s o c 系统入手，结合构造法宏模型描述方式，表格特 性宏模型描述方式以及硬件描述语言描述方式三种典型宏模型描述方法，提出了 一种结合三者优势的适用于描述复杂s o c 系统的宏模型描述方法。该设计思想将 在第4 章中以精简指令集的8 位c p u 为描述对象予以详细阐述。 1 2 8 b i tc p u 结构分析 38 - b i tc p u 结构分析 为了对系统进行精确和高效的描述，设计者对电路本身的工作原理必须要有非 常清晰的认识。本章从一款基于精简指令集的8 位c p u 内部构造入手，详细分析 其工作原理，阐述设计过程，为后续宏模型的设计作好准备。需要说明的是，一 般在设计集成电路系统时首先是根据设计指标设计宏模型，然后再根据所设计的 宏模型来实现具体的内部电路。这里首先分析电路内部结构是为了清楚说明本文 所提出的宏模型建立方法，而非执行一般的设计流程。 本章最后部分将涉及系统的结构化设计原则及技巧。 3 18 - b i tc p u 架构 在对系统进行研究时，一般先描述各模块的宏模型。宏模型具有与实际设计 构想完全一致的外部接口功能特征。完整的设计包括架构，软件及硬件设计三个 方面。架构主要是将高层次的需要具体转化为对硬件及软件的具有可实现性的技 术需要，是一个宏观事件规划。在大规模电子系统的设计中，架构设计都是设计 的关键9 1 。 对于宏模型的研究，首先需要对所描述的系统结构有充分的了解，包括各模 块的行为特性，接口功能特性，指令体系结构，时序特性等。本章将着重对一个舒 8 - b i t 指令的c p u 进行研究，并利用适用于大规模，多引脚的h d l 宏模型描述方 式对该c p u 进行描述。但使用的并不是单纯的硬件描述语言宏模型，而是本文所 提出的结合电路特性宏模型与表格特性宏模型的综合描述方法。该方法适用于大 规模，多模块的s o c 系统数字部分。 3 1 1设计指标 首先需要对该c p u 的各项指标进行定义，采用简化的指令集结构，可完成基 本的指令功能。该c p u 可访问的地址空间为6 4 k b y t e s ，总线宽1 6 - b i t ，输入输出 端口与存储空间地址使用相同的编址方式，指令寄存器为8 - b i t ，算术逻辑单元可 对两个位宽8 - b i t 的数据进行算术和逻辑运算。 该c p u