VLSI系统导论：第十章 设计系统

第十章设计系统设计系统的组织设计流程与软件的应用1VLSI系统设计VLSI系统设计通常包括了两个主要的设计层次：系统的硬件结构设计和系统的版图设计。系统的硬件结构设计的目标是逻辑和电路，设计的结果是硬件逻辑、电路结构。系统设计通常从行为描述开始，到门级硬件结构结束。这个过程又被称为逻辑设计。系统的版图设计是针对具体的硬件结构，将硬件结构转换为两维平面上的几何图形的设计过程。这个过程又被称为物理设计。2EDAdesignflow3VLSI设计系统设计系统是VLSI的设计工具，它为设计优秀的VLSI系统提供了强有力的设计手段。离开了设计系统，VLSI系统设计不可能实现。设计系统除了提供硬件结构设计和版图设计的工具外，还提供了仿真和检查工具，以及其它辅助工具。4设计系统的组织

管理和支持软件模块数据库应用软件5管理和支持软件模块管理和支持软件模块是一个“主程序”，它负责组织各软件的运行，管理数据库，协调软件与软件、软件与数据库的数据传输与交换，它甚至还要负责新软件、新数据库的添加、管理与协调。总之，它是一个软件与数据库的组织者与管理者。6数据库数据库是一切设计的基础，没有它，各软件就失去了操作的对象，设计也就无从谈起。数据库包括两个主要部分：基本数据库和新建数据库。基本数据库通常是随设计系统一起引入的，某些基本数据库的内容可以修改，例如描述工艺规则参数的数据库。新建数据库则是由使用者根据设计需要添加的数据库，它不断被积累扩充，它是基本数据库的一种扩展。7数据库逻辑单元库逻辑单元库的内容是各种逻辑单元的行为、符号，内部连接与外部端口的描述，是逻辑描述的基础。当我们设计了新的逻辑单元模块，并将它作为进一步设计的基本模块时，我们就对逻辑单元库进行了扩展。8数据库2.工艺文件库工艺文件库通常包括了两方面的内容：几何设计规则和电学设计规则。任何VLSI系统的最终实现都必须经过工艺过程。在设计中，几何设计规则是版图设计与检查的依据，电学规则则是仿真分析的依据。在设计中，人们往往忽视了工艺数据库的作用，因为我们常常“看不到”工艺对设计的影响。实际上，工艺数据库的内容和加工工艺是否一致，将直接影响到我们的仿真结果的真实性，影响到设计是否能在工艺线上实现的问题。9数据库3.标准单元库和积木单元库是可选库，如果采用标准单元实现设计则必须具备标准单元库。标准单元库通常有两种类型：框加库和完备库。框加库只描述了标准单元的拓扑结构，即外框描述，并不具备具体的标准单元版图内容。版图设计进行到布局、布线结束，最后的版图由提供标准单元的厂家生成。完备库则包含了具体的标准单元版图，这些版图以CIF、GDSII等格式描述。标准单元库的来源有二：自建和选购。所谓自建就是由设计者针对某条工艺线的具体设计规则设计单元库的版图并验证，选购则是选定具体的厂家的具体工艺线，购买该工艺线对应的标准单元库。积木单元库的情况与标准单元库的情况相同。10StandardCell11数据库4.输入输出（I/O）单元库这是一个基本库，它的库单元通常是标准单元形式，但它是独立于标准单元库而存在的。这是因为即使没有标准单元库，输入输出单元库也必须存在。同样的，随着设计系统的使用，输入输出单元库也会不断地得到扩充。12倒相输出I/OPAD13应用软件

1.逻辑设计类软件逻辑设计入口主要有两种：从行为级或寄存器传输级进入设计；从原始逻辑进入设计。前者是从待设计系统的行为或信号的传输形式（数据流、控制流）开始设计，采用逻辑综合软件实现门级逻辑结构。系统的行为和信号的传输形式的描述采用HDL，根据设计要求或已有的设计基础，系统中的一部分描述也可以采用结构描述。即HDL的三种描述形式（行为、信号传输和结构描述）都可以作为逻辑综合的输入信息描述。从原始逻辑进入设计也是一种最常见的设计入口形式。所谓原始逻辑是指已有的逻辑结构，它通常是由中小规模集成电路“搭制”的分立系统，或以往综合（或设计）得到的一些有用的模块，用它作为系统设计的蓝本，根据集成系统的特点进行逻辑再设计。逻辑输入接口软件采用人机交互图形方式将逻辑输入系统。实际上，以上两种设计入口并不是绝对分离的，经常是结合了两种方法实现设计。因为有时我们已具有了一些性能优越的功能模块，将这些模块和其它的逻辑综合的结果一起再进行综合，得到系统的逻辑结构。14应用软件2.仿真工具类软件仿真工具类软件主要有三类：逻辑模拟器，电路模拟器和时域分析器。逻辑模拟器对所设计的逻辑进行分析，模拟其在实际工作时的行为和状态，用以验证设计的正确性和检查系统性能的优劣。逻辑模拟通常分为前模拟和后模拟，所谓前模拟是对初步完成的设计进行分析，后模拟则是对已完成了版图设计的系统进行再模拟的过程，通过对加入了版图分布参数的系统的再模拟，分析实际的集成系统的功能和性能。电路模拟软件则是对电路细节进行分析的一个有用的工具。借助电路模拟软件我们可以掌握电路对信号响应的详细过程。对于含有模拟单元的VLSI系统，模拟单元的特性分析必须应用电路模拟软件。对于数字系统，电路模拟软件将帮助我们分析关键电路单元，优化系统的性能。当我们需要了解信号在系统中传输中各节点的时间关系时，可以采用时域分析软件。时域分析软件检查设计的延迟特性，可以用于定位具有延迟问题的信号通道。15应用软件3.版图设计类软件在设计系统中的版图设计有三种主要的方法：采用全自动的版图生成方法，采用计算机辅助版图设计方法，采用人工版图设计方法。对应了三个主要的版图设计软件：版图自动生成软件，辅助版图设计软件和版图编辑软件。任何版图的设计都必须遵循设计规则的规定。16应用软件版图设计类软件--版图自动生成技术根据系统逻辑直接由自动设计软件产生与系统和工艺对应的版图，几乎不需要设计者介入，整个的版图设计过程是全自动的。版图自动生成软件一旦被启动，它就会根据原始输入（如逻辑、格式要求等）自动地完成相关版图的生成。每一个版图自动生成软件都将对应一种格式的版图，如门阵列格式、标准单元格式等。版图的布局布线完全自动进行，同时，也允许用户进行控制以设计复杂的电路。有的软件能够自动地插入时钟缓冲器，解决在芯片上时钟的不对称性。或者允许用户对系统提出节点要求以满足性能要求。版图自动生成软件的设计依据除了软件自身算法外，外部所提供的设计依据是用户要求信息、几何设计规则和电学设计规则，这里电学设计规则提供了器件的驱动能力参数，以便于软件分析是否需要插入驱动单元。17应用软件版图设计类软件--计算机辅助版图设计技术较高的自动化程度，主要设计过程由软件完成，但使设计者具有更多的干预入口。整个版图设计过程大致分为四个主要的步骤：全局布局，全局布线，详细布局和最终布线。对于每一步，设计者都可以提出具体的要求或对设计提出修改。全局布局采用先进的布局算法对单元进行自动布局。全局布局的目标是在满足时延要求的情况下，使布线密度和芯片面积最小。全局布线器分析设计的连接度和布线资源，对每个线网建立布线拓扑。全局布线器可以自动运行而不需要人工介入，但同时用户也可以通过附加的设计要求控制布线。交互式预全局布线软件允许用户指定总线、电源、时钟和其他关键信号。详细布局是对原布局进行优化，这个过程通常是通过大量的迭代计算完成。最终布线由通道布线器完成，先进的布线算法使得布线可以绕过积木块和可变高度标准单元进行。18应用软件版图设计类软件--版图编辑技术版图编辑软件不是简单的画图工具，它支持多种操作，如建立单元、调用单元、单元操作等。版图编辑软件通常都支持层次化的设计。有的版图编辑软件除了支持几何版图编辑，还支持参数化的单元。基本的几何版图编辑是对几何图形的操作。版图编辑软件设置了一些基元，如矩形、多边形、圆等。所谓画图就是在计算机上直接绘制几何图形，所谓编辑就是对图形进行操作，如图形的拉伸、放大、缩小、切割，图形的平移、对称、旋转，图形的逻辑运算（与、或、非、异或），图形的删除与复制。将一些已建立的图形作为单元，可以在设计中进行调用和操作，实现层次化的设计。版图编辑对设计者提出了比较高的要求，设计者必须具有相关的版图设计知识和经验，对版图有比较全面和较深刻的理解。同时还要求设计者具有相当的器件、工艺与电路基础。较之前两种设计技术，采用版图编辑软件进行VLSI系统设计可以获得性价比较高的集成系统。19应用软件4.校验检查类软件在电路设计完成后，可以采用校验检查软件对版图进行检查。这类软件大致有四种：几何设计规则检查软件，电学设计规则检查软件，版图与电路图一致性检查软件和分布参数提取软件。20应用软件校验检查类软件--几何设计规则检查（DesignRuleCheck,DRC）几何设计规则检查是检查版图中各掩膜（MASK）相关层上图形的各种尺寸，保证无一违反设计规则。几何设计规则检查对通过版图编辑所得到的设计特别重要，因为在版图编辑的过程中很难避免设计错误。几何设计规则检查通过比对工艺文件中的几何设计规则，查出版图上的错误并提示设计者进行修改。21应用软件校验检查类软件--电学设计规则检查（ElectricalRuleCheck,ERC）电学设计规则检查用于检查由版图所形成的电路是否存在违反一般电学规则的错误。常见的一般性错误包括：开路错误。短路错误。接触孔浮空。特定层上图形连接错误，如P型衬底未接地。器件电极连接错误，如PMOS衬底未接电源。器件端口连接数错误，如漏接或短接。器件扇出错误。22应用软件校验检查类软件--版图与电路图一致性检查（Layoutvs.Schematic,LVS）一致性检查是把从版图所提取的电路网表与原设计的电路网表进行比对，检查两者在结构上是否一致。需要指出的是一致性检查所查出的错误有时并不是错误。例如，为保证驱动能力，在版图设计时添加了驱动单元或进行了驱动分组，导致版图提取的逻辑电路与原设计出现偏差，一致性检查时将它们也标识成错误。针对这种情况，一些一致性检查软件已能够识别这种差异而不将其作为错误。23应用软件校验检查类软件--分布参数提取（LayoutParameterExtraction,LPE）所谓分布参数主要是指实际电路所存在的寄生电阻和寄生电容，它们是分布在整个芯片上的，对各个节点而言它们通常很小。但随着器件尺寸的缩小和器件延迟特性的优化，这些分布参数将不能被忽略。当版图设计完成后，相应的分布参数也就可以算出。分布参数提取软件就是用于实现对版图分布参数的提取，通常将这些分布参数折算到各个相关节点。当版图设计完成后所进行的所谓“后模拟”就是将这些分布参数引入到电路中，对引入了分布参数的实际的电路进行模拟（仿真）。24举例：LPEOutput25应用软件5.其它应用软件大致包括：测试分析和测试生成软件，版图相关数据库维护和更新软件，以及数据转换软件。测试分析和测试生成软件是两种比较重要的软件。测试分析软件将对VLSI系统进行可测试性分析，提出各相关节点的测试难度。测试生成软件则是对设计的结构产生测试矢量，用于将来的测试。版图相关数据库的维护和更新类软件主要实现单元版图库的管理和更新。随着工艺技术水平的不断提高，工艺的特征尺寸不断缩小，不断地有新的设计规则产生。当引入了新的设计规则后，原有的单元版图数据库就不再适用，必须更新。但重新建一套新的单元版图，其工作量非常庞大。单元版图的更新（再生）软件提供了单元版图的再生方法，它对老的单元版图进行处理，根据新的设计规则产生新的单元版图。数据转换软件的工作是将不同格式的数据根据需要进行转换。例如，描述版图的数据格式并不能被直接用于掩膜版的制作，必须