[高等教育]微电子第九章设计流程和设计工具

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1、第九章设计流程和设计工具9.1设计要求9.2层次化设计方法9.3设计流程9.4版图设计规则9.5设计系统简介9.6常用的设计工具9.1设计要求一个好的、有效的集成电路设计成果是一种创新性劳动的结晶，它应该满足一下几个方面的要求：(1)功能正确，并在第一次投片流水后就能达到设计要求；(2)电学性能经过优化，特别是在速度和功耗方面达到原订指标；(3)芯片而积尽可能小，以降低制造成本；(4)设计的可靠性，在工艺制造允许的容差范围内仍能正确工作；(5)在制造过程中和完成后能全而和快速地进行测试。9.1设计要求由于集成电路具有高度复杂性这一特点，这对设计工作带来一系列问题。第一，设

2、计的时效性。对于一个有上百万个品体管的集成电路来说，我们不能一个一个地去设计每个晶体管，否则会使设计时间难以忍受。设计时问的增长不仅会显著地增加芯片的成本，也会延迟产品的推出而丧失商机．对于ASIC电路就更为突出。为此必须找到一种较好的设计方法和工具来处理设计的复杂性。第二，设计的无误性。设计的正确无误对于集成电路特别突出，因为一个版图上的微小错误会使整个芯片无法工作。即使对于只有5000门的电路，其版图就会包含100000个线条和图形，对规模大的电路，其线条和图形的数量会更大。而错误有可能潜伏在设计的各个阶段中且难以发现，设计者不要轻易地说设计巳100％的正确无误，而要

3、小心反复地验证每一细节。9.1设计要求第三，设计的可测性。集成电路是整体集成的，我们不可能像测面包板(bread-board)上每个元件那样测试集成电路巾的菜一部分，即使可能，也要因增加测试块而设计特殊的芯片，这会增加成本，因而在设计时要考虑如何进行测试。第四，与制造商之间的接口。在设计者和制造商之间要有一明确定义的数据交换格式以交换设计信息。此外，对于半定制(门阵列)和定制(标准单元)电路的设计，制造商必须提供设计者一个完整的门阵列或标准单元库；对十全定制设计，制造商需提供设计规则和晶体管的电学参数。9.2层次化设计方法采用有条理性的、层次化的设计方法有助于解决设计工作

4、中的上述问题。层次化是把整个设计分解为若干层次，在完成前一层次设计任务后再进行下一层次的工作。对于复杂的数字集成电路来讲，我们可以设定以下几个层次：(1)整体规范设计(specificationdesign)，包括确定功能和件能的要求、允许的芯片面积和制造成本等；(2)功能级设计(functionalleveldesign)，包括算法的确定和功能框图的设计；(3)寄存器级设计(registerleveldesign)，把功能块划分(partitioning)为寄存器级模块，对于较小规模的电路，功能级设计可直接从寄存器级模块开始，因而上两步可合并；(4)逻辑设计(logic

5、design)，利用各种门和单元进行逻辑设计；(5)电路设计(circuitdesign)，对每一单元进行电路设计；(6)版图设计(layoutdesign)，将电路图转换成硅片上的几何图形。9.2层次化设计方法图9-1表示了层次化设计方法以及以比较器为例的设计过程。9.2层次化设计方法由于集成电路不是终端产品，它只是电子设备中的一个部件。通常总是有若干块集成电路安装在一个印刷电路板上形成一个子系统或系统，因此在进行层次化设计第一步时，设计者必须清楚该芯片在于系统或系统中的应用要求，以及与其他芯片之间的关系，同时也应了解该于系统或系统的最终应用功能。此外，层次化设计的低端

6、涉及到晶体管的设计以及制造工艺，这两者又与半导体的基本物理过程有义。虽然一个人不可能深入地了解从半导体基础理论到电子系统丁作的各个方面，但作为一个奸的、专业的集成电路设计者应该对于支持本设计的制造工艺和晶体管特性有较深入的了解。9.3.1全定制设计流程1．整体规范设计它是对整个设计的一个详细描述，应给出输入与输出之间的关系、各控制端口的功能、时钟的要求(如采用同步还是非同步)以及电源电压的数值(如5V或3．3V)等，在此基础上给出芯片面积和制造成本的估算或允许的上限。9.3.1全定制设计流程2．功能级设计它是将上一层设计加以具体化，通常是用HDL硬件描述诺言(hardwa

7、redescriptionlanguage)写出描述文件，包括流程图(flowchart)或算法(algorithm)；同时设计出1个包含各种功能块(functionalblock)如存储器、控制单元、运算单元、数据通道和逻辑单元的功能框图(blockdiagram)，各功能块之间的信号流必须精细地加以定义。通常在这一步要采用高层次模拟软件进行功能级模拟以确定义工作是否正确，若不能正确工作可以及早修改功能描述文件。高层次模拟也可以用来对不同的实现方案进行比较。对于复杂的芯片需要将功能框图中的功能块划分成更小的功能单元，同时加入