数字系统设计方法数字系统设计方法数字系统设计方法数字系统设计方法参考文献参考文献参考文献参考文献王金明，杨吉斌编著，数字系统设计与王金明，杨吉斌编著，数字系统设计与王金明，杨吉斌编著，数字系统设计与王金明，杨吉斌编著，数字系统设计与VerilogVerilogVerilogVerilog HDL HDL HDL HDL，电子工业出版社，电子工业出版社，电子工业出版社，电子工业出版社，2002200220022002内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/242清华大学电子工程系罗嵘制作引言数字系统的优点数字系统的应用数字系统的发展2024/7/243清华大学电子工程系罗嵘制作优点Digital systems are generally easier to designInformation storage is easyAccuracy and precision are easier to maintain throughout the systemOperation can be programmedDigital circuits are less affected by noiseMore digital circuitry can be fabricated on IC chips2024/7/244清华大学电子工程系罗嵘制作优点易于设计易于存储精确度高可编程工作稳定度高，抗干扰能力强便于大规模集成，芯片面积小2024/7/245清华大学电子工程系罗嵘制作引言数字系统的优点数字系统的应用数字系统的发展2024/7/246清华大学电子工程系罗嵘制作应用对信息进行处理、传输计算机家用电器便携式设备医疗设备军用设备2024/7/247清华大学电子工程系罗嵘制作引言数字系统的优点数字系统的应用数字系统的发展2024/7/248清华大学电子工程系罗嵘制作发展器件和集成技术的发展器件发展摩尔定律IC芯片IC发展蓝图代表性IC芯片2024/7/249清华大学电子工程系罗嵘制作摩尔定律Moores LawThe observation made in 1965 by Gordon Moore, co-founder of Intel, that the number of transistors per square inch on integrated circuits had doubled every year since the integrated circuit was invented. Moore predicted that this trend would continue for the foreseeable future. In subsequent years, the pace slowed down a bit, but data density has doubled approximately every 18 months, and this is the current definition of Moores Law, which Moore himself has blessed. Most experts, including Moore himself, expect Moores Law to hold for at least another two decades.大约每18个月，芯片的集成度提高1倍，而功耗下降1半2024/7/2410清华大学电子工程系罗嵘制作集成电路发展预测(ITRS2001)年份2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007特征尺寸(nm)15013010790807065工作频率(MHz)1684 2317 3088 3990 5173 5631 6739晶体管数(M/cm2)89112142178225283357电源电压(V)1.11.01.00.90.90.70.7International Technology Roadmap for Semiconductors2024/7/2411清华大学电子工程系罗嵘制作IC发展的特点集成度越来越高，功能越来越多，芯片设计越来越复杂；特征尺寸不断减小，集成电路中的互连线密度不断提高，线宽和间距越来越小，互连线逐渐成为决定芯片性能的主要因素；工作频率不断提高，这使得集成电路的信号延时敏感度提高；电源电压被不断降低，虽然低电压能够有效降低芯片的功耗，但是同时也降低了集成电路的噪声容限； 2024/7/2412清华大学电子工程系罗嵘制作代表性芯片微处理器Microprocessor可编程逻辑器件PLD数字信号处理器Digital Signal Processor存储芯片RAM/ROM光电集成芯片Optical Electronic IC2024/7/2413清华大学电子工程系罗嵘制作内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/2414清华大学电子工程系罗嵘制作设计方法半导体技术和计算机技术PLD器件和EDA技术两种系统方法Top-downBottom-up两种芯片版图方法正向逆向2024/7/2415清华大学电子工程系罗嵘制作自上而下自顶向下设计方式设计流程设计验证修改设计再验证优缺点完全实现设计要求需要反复多次设计流程速度、功耗、价格和可靠性都较为合理占据系统设计的主流地位2024/7/2416清华大学电子工程系罗嵘制作自上而下设计方式系统级设计功能级描述功能仿真门级描述时序仿真功能模块的划分与定义功能描述转换成门级描述检查时序是否正确（延时）2024/7/2417清华大学电子工程系罗嵘制作自下而上传统的积木式设计在自下而上的设计中有时要用到自下而上的方法缺点：对整个系统缺乏规划2024/7/2418清华大学电子工程系罗嵘制作自下而上设计方式建立基本单元库构成功能块仿真设计成系统仿真2024/7/2419清华大学电子工程系罗嵘制作正向设计自上而下设计流程系统描述功能设计逻辑设计电路设计版图设计芯片制造封装测试芯片规划：功能，性能，功耗，成本，尺寸，工艺行为特性：时序图，状态机和模块连接图逻辑结构：综合和优化设计结果晶体管级：元件的电性能物理设计：几何表示流片：工艺线上加工已验证的版图设计结果测试是否符合设计规划2024/7/2420清华大学电子工程系罗嵘制作逆向设计辅助的设计方法设计流程已有芯片功能图逻辑图正向设计原理图芯片版图实现/改进芯片2024/7/2421清华大学电子工程系罗嵘制作内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/2422清华大学电子工程系罗嵘制作EDA技术的功能计算机技术、微电子技术和数学系统级、逻辑级和物理级范围低频高频；线性非线性；模拟数字混合；PCB设计芯片设计2024/7/2423清华大学电子工程系罗嵘制作EDA技术的应用系统级设计PLD开发模拟电路设计PCB设计版图设计混合电路设计综合和仿真数字电路设计逻辑级设计EDA工具2024/7/2424清华大学电子工程系罗嵘制作EDA技术（1）3个发展阶段CAD1970sPC未普及，功能较弱CAE1980sPC开始普及，集成电路规模发展，功能逐步完善EDA1990s制造工艺技术发展，功能强大2024/7/2425清华大学电子工程系罗嵘制作EDA技术（2）现代EDA的发展方向落后于制造工艺技术智能性更高，功能更强，高层综合软硬件协同设计根据系统功能，划分成软件(C语言)和硬件（HDL）统一的描述语言System C完善的设计验证工具2024/7/2426清华大学电子工程系罗嵘制作系统级（IP模块）寄存器级（HDL描述）逻辑门级（逻辑图）晶体管级（原理图）版图级（物理版图）复杂度设计效率2024/7/2427清华大学电子工程系罗嵘制作EDA技术（3）现代EDA的特点用HDL进行系统描述与工艺无关，语言的标准化和描述能力适合大规模系统设计，可重用设计高层综合和优化系统级综合和优化，支持自上而下的设计方法设计周期短，设计效率高并行工程（CE）设计Concurrent Engineering系统化、集成化、并行化开放性和标准化多种多厂商EDA工具标准的软件平台框架2024/7/2428清华大学电子工程系罗嵘制作内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/2429清华大学电子工程系罗嵘制作IPIntellectual Property类型典型的IP核虚拟器件：门级和寄存器级的HDL代码微处理核MPU，DSP核，Memory核虚拟接口：系统级代码Ethernet，USB，PCI，IEEE13942024/7/2430清华大学电子工程系罗嵘制作IP类型软核在寄存器和门级用HDL描述电路功能接口、算法、编译码和加密设计使用灵活，成本低，可预测性差硬核基于设计工艺用版图形式描述电路功能存储器、模拟器件成本高，可靠性高，效率高固核介于软核和硬核之间2024/7/2431清华大学电子工程系罗嵘制作SOCSystem-On-a-Chip一个完整的系统集成在一个芯片上实现方式全定制PLD半定制2024/7/2432清华大学电子工程系罗嵘制作内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/2433清华大学电子工程系罗嵘制作实现方式器件的选择性能、设计周期和成本两种全定制Full-customIC设计（通用集成电路）ASIC设计速度高，功耗低，面积小；设计周期长，成本高半定制Semi-customPLD方便灵活，可在实验室反复修改，价格低；速度较慢，面积较大2024/7/2434清华大学电子工程系罗嵘制作Digital SystemsStandard LogicASICMicroprocessors & DSPTTLCMOSECLPLDGate ArrayFull CustomStandard CellSemi Custom2024/7/2435清华大学电子工程系罗嵘制作内容引言设计方法EDA技术IP与SOC实现方式设计方式2024/7/2436清华大学电子工程系罗嵘制作设计方式图形小规模，设计软件有相应的库基于硬件描述语言Verilog & VHDL印制电路板在以绝缘材料为基础的板上安装集成电路、电阻和电容等各种元器件，并通过板上的覆铜等导电线路和金属化孔实现元器件之间的连接2024/7/2437清华大学电子工程系罗嵘制作基于HDL的设计流程设计描述选择EDA工具综合和仿真布局布线目标文件ASIC/FPGA2024/7/2438清华大学电子工程系罗嵘制作PCB设计制作流程原理图网表元器件封装库布局布线光绘制板2024/7/2439清华大学电子工程系罗嵘制作