VHDL语言进行集成 电路设计

1、第6章 用VHDL语言进行集成电路设计现代电子设计方法 概论 本章阐述在VHDL程序设计完成之后，怎样进行处理，才能完成集成电路设计的过程。计算机的应用促进了新学科的诞生。 EDA 工程就是以计算机为工作平台，以EDA 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体,以ASIC、SOC芯片为设计目标，以电子系统设计为应用方向电子产品自动化设计过程。现代电子设计方法是现代电子设计的基础，是电子线路原理设计，电子系统整机设计,集成电路芯片设计的方法学。现代电子设计方法的研究目标主要是怎样用VHDL语言设计超大规模专用集成电路（ASIC），怎样对一片超大规模集成电路进行功能划分

2、，VHDL语言描述、逻辑综合、仿真分析、形式验证、设计实现是现代电子设计方法要解决的主要问题。 电子设计技术的进展 经典电子设计方法的特征采用自下而上的（Bottom UP）的设计方法。:采用通用元器件，每个元器件的功能都是确定的，利用这些元器件搭建目标功能模块。设计者必须对成千上万种通用元器件的性能特点熟练掌握，并且元器件容易购到，成本较低。 在硬件模块电路构成之后才能进行硬件、软件调试。如果设计过程中的问题到后期才会被发现，这就可能造成推翻设计重新开始的危险，使设计周期大大加长，延误了电子产品的按时推出。 设计文件以电路原理图为核心。 EDA工具 电子设计技术由于计算机技术的发展而产生了巨

3、大变化。由于电子科学是计算机科学的基础，计算机学科的发展离不开电子学科的支持，但是计算机科学又反作用于电子科学，加速了电子学科的发展。这样构成了一个闭环正反馈系统，使的电子设计技术很快由计算机辅助设计（ECAD）阶段进入了电子设计自动化(EDA)阶段。 EDA工程概念EDA工程领域 硬件描述语言EDA工具EDA理论基础实现载体设计方法学流 片 EDA 工程的实现载体-FPGA器件 一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuits)芯片进

4、行设计。 其优点是：芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量的产品开发。分为：全定制ASIC，半定制ASIC，可编程ASIC（也称为可编程专用集成电路）。 FPGA器件 EDA 工程的设计语言-VHDL语言 VHDL是一种全方位的硬件描述语言，支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构描述、数据流描述和行为描述及三种形式的混合描述。VHDL 语言覆盖了多种硬件语言的功能，“自顶向下”或“自底向上”的电子系统设计过程都可以用VHDL语言来完成。 VHDL语言设计描述和系统建模 IP设计和SOC设计 将整个电子系统集成在同一

5、芯片上，称为片上系统（SOC）。 产品设计日益复杂，产品的生命周期不断缩短，因而要求设计出更新、更快、更廉价的产品。在设计印刷电路板时采用IP模块设计方法，以及提供顺畅且可靠的设计流程至关重要。即：项目设计ASIC设计IP模块设计 PCB设计 仿真设计测试设计。在PCB设计之前先设计ASIC芯片，尽量减少板上元件数目，提高集成度，提高可靠性。 设计描述和系统建模 软IP核与硬IP核软IP是用硬件描述语言设计的具有一定电路功能的程序模块。 硬IP是在软IP的基础上，结合半导体工艺、设计规则而生成的集成电路版图。 软、硬IP的概念 设计复用方法 IP（intelligent property）模块

6、设计不仅是集成电路设计公司的重要任务，也是EDA工具开发公司的实力表现，一套EDA工具，它提供的IP模块越丰富，用户的设计就越方便、越容易。 关于应该使用哪种类型的IP至今仍有争议。究竟是使用需要VHDL代码进入综合和布局布线过程的软IP，还是使用芯片中物理掩膜布局已得到证明的硬IP，要根据设计项目的具体情况来确定。 IP复用流程硬IP的复用流程 软IP的复用流程 设计综合 高层次综合 高层次综合范畴 高层次综合流程 设计仿真 仿真（emulation），利用计算机硬件平台，EDA工程设计环境，搭建虚拟的设计系统，在计算机上进行波形分析，时序分析，功能验证的过程称为仿真。 EDA工具的不完备，

7、设计项目的修改，描述文件的错误等原因，都使设计项目需要仿真、验证。 仿真的层次:电路级仿真;逻辑仿真;开关级仿真;寄存器传输级仿真;高层次仿真。仿真系统构成 常用仿真方法 在EDA工程领域，仿真分为功能仿真和时序仿真。前者验证设计模块的逻辑功能，后者用于验证设计模块的时序关系；无论是功能仿真，还是时序仿真，其仿真方法有两种： 交互式仿真方法 测试平台法 集成系统设计方法 在同一个芯片上集成了控制部件（微处理器、存储器、I/O接口）和执行部件（微型开关，微机械），能够自成体系，独立工作的芯片称为系统芯片 片上系统的设计方法 ： 1.系统设计 ； 2.综合 （逻辑综合 /行为综合 ）； 3.分层设

8、计方法 可编程系统芯片设计 1.可编程系统芯片结构 复杂的FPGA结构从系统集成、系统存储、系统时钟和系统接口方面满足片上系统设计要求。 2.可编程系统级芯片的设计方法 可编程逻辑器件(PLD)在规模、速度、嵌入式处理器内核及其它IP供应等方面的进步，可以实现系统级可编程芯片的设计。这需要一种结构清晰的系统级方法来处理系统级设计复杂性。片上系统的测试方法 传统ATPG技术 新的DFT技术 -内置式自测(BIST) 片上系统的测试方法 嵌入式SRAM典型BIST电路框图 片上系统设计关键（1） IP核重用 （2）形式验证 （3）测试校准 （4）可再配置计算 （5）布局规划 （6）软硬件协同验证

9、集成电路设计的实验室实现方法 由语言描述、符号描述、几何描述等不同设计形式做出的项目设计文档，最后转化为硬件实物的过程，称为设计实现。 设计和实现的关系 基于VHDL设计描述 我们用一个需要特定资源的设计实体作为设计实现的举例。例 四位计数器。 library ieee；use ieee.std_logic_1164.all；use work.std_arith.all；entity counter is port( clk， reset: in std_logic； count: buffer std_logic_vector(3 downto 0)；end counter；architec

10、ture archcounter of counter isbeginupcount: process (clk， reset) begin if reset =1then count = 1010； elsif (clkevent and clk=1) then count = count + 1； end if； end process upcount；end archcounter； 基于FPGA器件的实现载体 可编程逻辑器件成为计算机应用、通信技术、自动控制、仪器仪表领域广受技术人员欢迎的器件，是科学实验、样机试制、小批量生产的最佳选择，是ASIC芯片设计的实现载体之一。设计的实验室实

11、现流程 集成电路的版图设计 物理设计 CMOS电路工艺基础 集成电路版图全定制设计方法 1.全定制设计流程: 版图编辑(EDIT) 检查验证 2集成电路版图设计的一些考虑 版图综合 （1）布图规划（floorplan） （2）布局（Placement） （3）布线（routing） （4）版图参数提取（Layout Parameter extract） （5）一致性检查（Layout VS Schematic） （6）后仿真（Post Simulation） 版图设计流程 集成电路设计的工业实现 1. 半导体产业模式的转变 2. 无晶圆厂的ASIC公司(Fabless) 3. 制造代工业（Fo

12、untry）4. IP设计业（chipless） 5. 设计代工业(design foundry)6.设计服务业(design service) 多项目晶圆流片 1 多项目晶圆的概念 （1）MPW服务业务的社会需求 （2）MPW服务业务的宗旨、作用 （3）MPW服务的发展状况 （4）MPW现状与存在的问题 2 多项目晶圆的实施过程 （1）开发多项目晶圆计划的目的 （2）MPW技术 （3）NRE的概念 （4）MPW服务体系建立的条件 （5）MPW计划对设计资源的整合 多项目晶圆的发展 与国外MPW计划相比，我国多项目晶圆计划也经历了从教育研究界扩展到产业界的过程。中国集成电路产业正处于成长期，初创型中