数模混合信号电路设计数字电路设计流程.ppt
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1、数模混合信号集成电路设计第二讲 数字集成电路设计流程,内容,1、设计流程介绍2、硬件描述语言的介绍3、设计方法的介绍4、数字系统的结构设计5、数字系统的电路设计6、数字系统的版图设计,设计流程介绍,设计流程介绍,1.电路设计(前端设计)电路设计是指根据对ASIC的要求或规范,从电路系统的行为描述开始,直到设计出相应的电路图,对于数字系统来说就是设计出它的逻辑图或逻辑网表2.版图设计(后端设计)版图设计就是根据逻辑网表进一步设计集成电路的物理版图,也就是制造工艺所需的掩膜版的版图。,设计方法,1、Bottom-Up(之下而上)2、Top-Down(之上而下),设计方法,1、Bottom-Up自底
2、向上(Bottom-Up)设计是集成电路和PCB板的传统设计方法,该方法盛行于七、八十年设计从逻辑级开始,采用逻辑单元和少数行为级模块构成层次式模型进行层次设计,从门级开始逐级向上组成RTL级模块,再由若于RTL模块构成电路系统对于集成度在一万门以内的IC设计是行之有效的,无法完成十万门以上的设计设计效率低、周期长,一次设计成功率低,设计方法:Bottom-Up,缺点:系统设计时存在的问题只有在后期才能较容易发现;设计周期长;设计的主体是电路原理图,不便于管理和移植;,设计方法:Top-Down,Top-Down设计该流程在EDA(HDL语言)工具支持下逐步成为IC主要的设计方法从确定电路系统
3、的性能指标开始,自系统级、寄存器传输级、逻辑级直到物理级逐级细化并逐级验证其功能和性能1、系统设计(行为级描述);2、RTL设计(RTL级描述);3、逻辑设计/门级设计4、物理实现,采用Verilog/VHDL语言描述电路时,我们将电路的描述分为行为(Behavioral)和寄存器传输级(Register Transfer Level)和门级描述(Gate Level)三个层次。这样的划分是根据寄存器和组合逻辑的确定性而言的行为级:寄存器和组合逻辑都不明确RTL级:寄存器明确,组合逻辑不明确。门级:寄存器和组合逻辑都明确,Top-Down 设计步骤,1、系统设计(行为级描述)实质上就是对整个系
4、统的数学模型的描述。一般来说,对系统进行行为级描述的目的是试图在系统设计的初期,通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。并不真正考虑其实际的操作和算法的实现。考虑更多的是系统的结构及其工作过程是否能达到系统设计规范的要求。,Top-Down 设计步骤,、RTL设计(RTL级描述)用行为方式描述的系统结构有可能部分描述抽象程度过高,是不可以直接映射到具体逻辑单元结构的硬件实现。因此必须将行为级描述的verilog/VHDL语言该写成寄存器级描述。,Top-Down 设计步骤,3、逻辑设计/门级设计利用逻辑综合工具,例如FPGA Express(针对FPGA设计),Design Compi
5、ler(针对ASIC设计),将行为级或者寄存器级描述转换转换成一组寄存器和组合逻辑,也就是说经过逻辑综合可以得到集成电路的门级逻辑结构。,Top-Down 设计步骤,4、物理实现(版图设计)逻辑综合生成门级网表,可以有两种硬件实现选择。第一种是由自动布局布线工具,如Silicon Enemble,生成ASIC版图。第二种是将网表转换成FPGA(现场可编程门阵列)映射文件,由FPGA硬件实现。,Top-Down设计与Bottom-Up设计相比,具有以下优点:设计从行为到结构再到物理级,每一步部进都进行验证,提高了一次设计的成功率。提高了设计效率,缩短了开发周期,降低了产品的开发成本设计成功的电路
6、或其中的模块可以放入以后的设计中提高了设计的再使用率(Reuse)。,一、概述综合方法是指电路从较高级别的描述自动地转换到较低级别的描述的自动设计方法。综合可分为三个层次行为综合:是指从系统算法级的行为描述到寄存器传输级(RTL)结构描述的转换逻辑综合:是从RTL级描述到门级逻辑级的转换版图综合:是从门级描述到产生相应版图的综合,综合方法,二、行为综合 行为综合是一种高层次的综合,它的任务是实现从系统算法级的行为描述到寄存传输级结构描述的转换。这里所说的行为是数字系统或其部件与外界环境的相互关系与作用;而结构是指组成系统RTL级的各个部件及其相互之间的连接关系。,综合方法,行为综合,在目前的实
7、际设计工作中,行为描述的抽象层次太高,综合工具无法很好的理解设计者的意图,综合出的电路距离设计者的实际要求有很大差距,并且目前主流的综合工具都不具有这种功能,目前有一些推出的行为综合器如Synopsys的Behavioral Complier,但用户的反映都不是很良好。因此一般采用人工将行为级描述的verilog/VHDL语言该写成寄存器级描述。,行为级仿真:Modelsim,Active-Hdl,三、逻辑综合和逻辑优化逻辑综合通常是使RTL级HDL描述自动转换成一组寄存器和组合逻辑,也就是说经过逻辑综合可以得到集成电路的门级逻辑结构。一般逻辑综合以后紧接着是逻辑优化,主要是考虑面积和时序优化
8、,最后得到一个满足时序,面积和功耗约束条件的优化的逻辑电路。综合过程是将HDL描述转换成非优化的布尔等式的描述,也就是门级描述,该转换过程是综合软件自动完成的,其过程不受用户控制。采用一定的算法和规则,在约束条件控制下使非优化的布尔等式进一步转换成优化的布尔描述,这就是逻辑优化的过程。逻辑综合和优化时必须选择合适的综合库。综合库的选择体现设计人员对综合优化过程的控制,反映了对综合的要求。,综合方法,三、逻辑综合和逻辑优化逻辑优化是在给定综合库的情况下,对于逻辑描述所形成的门电路网络进行优化,优化的目标是根据电路速度和面积等约束条件进行协调,简化和改善电路的逻辑设计。优化过程分两个阶段进行,它们
9、是:(1)与工艺无关的逻辑优化阶段:运用代数和布尔代数技术对电路进行优化(运用两极极小化过程);(2)结合综合库,与目标工艺对照阶段:根据制造工艺的要求,将已筒化的逻辑描述转换成综合库耍求的表达形式,也就是用相应的单元符号,包括标准单元或FPGA元件符号以及其它物理实现的逻辑符号替代已简化的描述。,综合方法,FPGA逻辑综合:,FPGA逻辑综合:,ASIC逻辑综合:DC,四、版图综合 从电路的逻辑结构到集成电路版图的转换是物理综合的过程,也称为版图综合,实际上就是自动布局布线的过程。按照设计流程,逻辑设计验证完毕接着就可以进行自动的版图设计。布局算法 布局是放置版图模块的工作,考虑到以后的布线
10、通常是把连接紧密的模块依次放置,目的是使整个版图的面积和电路的工作周期最小,这就是所谓基于Timing的布局。,综合方法,2.布线布线是根据连接网表对布局后的模块进行连线,布线器的类型分成:1)通道布线:适用于通道宽度相同的标准通道2)开关箱布线器:能对复杂的崎岖通道布线,也就是能适用于宽度不等的情况。3)迷宫(Mage)布线器:能对任何复杂结构的通道布线,由于通道情况比较复杂,算法需要较长运算时间,布线速度较慢。,综合方法,FPGA实现,FPGA实现:Alter Max+Plus II,FPGA实现:Xilinx Foundation ISE,ASIC版图实现:Cadence Silicon
11、 Ensemble(SE),常用的工具,1、系统级设计、验证工具:C语言、Matlab、Simulink2、RTL源代码设计和验证:Verilog、VHDL(代码)仿真验证工具:Synopsys VCS:ASIC流程方便 Mentor ModelSim:Windows 平台 Cadence NC-Verilog:在后仿使用速度快 Aldec:Active-HDL Altera:Quartus(支持原理图输入),常用的工具,3、门级电路设计:FPGA综合工具:Synopsys 公司的FPGA Compiler II/Synopsys 公司的FPGA express、Synplicity公司的Sy
12、nplify(已被Synopsys收购,2008)、Altera公司的 Quartus、Xilinx公司的Xilinx Synthesis Technology.FPGA器件实现:Altera FPGA系列,Xilinx FPGA系列ASIC综合工具:Synopsys Design Compiler,Cadence AmbitASIC版图工具:Cadence Silicon Ensemble(old)/Encounter(new)Synopsys Apollo(old)/Astro(new)ASIC版图验证工具:Mentor Calibre,Cadence DIVA,Cadence Assur
13、a、Synopsys Hercules.,设计过程可分五个阶段:第一阶段:项目策划第二阶段:总体设计第三阶段:详细设计和可测性设计第四阶段:时序验证与版图设计第五阶段:加工与完备,ASIC设计流程简单介绍,第一阶段:项目策划任务:形成项目任务书(项目进度,周期管理等)。流程:市场需求-调研-可行性研究-论证-决策-任务书。第二阶段:总体设计任务:确定设计对象和目标,进一步明确芯片功能、内外部性能要求,参数指标,论证各种可行方案,选择最佳方式,加工厂家,工艺水准。流程:需求分析-系统方案-系统设计-系统仿真。输出:系统规范化说明(System Specification):包括系统功能,性能,物
14、理尺寸,设计模式,制造工艺,设计周期,设计费用等等.,第三阶段:详细设计和可测性设计任务:分功能确定各个模块算法的实现结构,确定设计所需的资源按芯片的要求,速度,功耗,带宽,增益,噪声,负载能力,工作温度等和时间,成本,效益要求选择加工厂家,实现方式,(全定制,半定制,ASIC,FPGA等);可测性设计与时序分析可在详细设计中一次综合获得,可测性设计常依据需要采用FullScan,PartScan等方式,可测性设计包括带扫描链的逻辑单元,ATPG,以及边界扫描电路BoundScan,测试Memory的BIST。,流程:逻辑设计-子功能分解-详细时序框图-分块逻辑仿真-电路设计(算法的行为级,R
15、TL级描述)-功能仿真-综合(加时序约束和设计库)-电路网表-网表仿真。输出:功能设计(Function Design):将系统功能的实现方案设计出来.通常是给出系统的时序图及各子模块之间的数据流图。逻辑设计(Logic Design):这一步是将系统功能结构化.通常以文本(Verilog HDL 或VHDL),原理图,逻辑图表示设计结果,有时也采用布尔表达式来表示设计结果。电路设计(Circuit Design):电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现。,第四阶段:时序验证与版图设计 任务:静态时序分析从整个电路中提取出所有时序路径,然后通过计算信号沿在路径上的延迟传播,找出违背时序约束的
16、错误(主要是SetupTime 和 HoldTime),与激励无关。在深亚微米工艺中,因为电路连线延迟大于单元延迟,通常预布局布线反复较多,要多次调整布局方案,对布局布线有指导意义。流程:预布局布线(SDF文件)-网表仿真(带延时文件)-静态时序分析-布局布线-参数提取-SDF文件-后仿真-静态时序分析-测试向量生成。,输出:物理设计(Physical Design or Layout Design):物理设计或称版图设计是VLSI设计中最费时的一步.它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管,电阻,电容,电感等以及它们之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信息.设计验证(Design Ver
17、ification):在版图设计完成以后,非常重要的一步工作是版图验证.主要包括:设计规则检查(DRC),版图的电路提取(NE),电学规检查(ERC)和寄生参数提取(PE)。,第五阶段:加工与完备任务:联系生产加工,准备芯片的样片测试和应用准备。流程:工艺设计与生产-芯片测试-芯片应用。输出:用户使用说明书。上面集成电路设计的五个阶段,每一阶段有不同的任务,有具体的工作流程,也产生对应的输出结果。,集成电路的设计过程:设计创意+仿真验证,功能要求,行为设计(Verilog),Sing off,设计业,典型ASIC设计具有下列相当复杂的流程,实际中包含如下多项基本内容:结构及电气规定。RTL级代
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