集成电路设计认识.doc

审定成绩：序号：25自动控制原理课程设计报告 题 目：集成电路设计认识学生姓名颜平班 级0803院 别物理与电子学院专 业电子科学与技术学 号14072500125指导老师易立华设计时间2011.12。15一 硬件描述语言对集成电路设计的作用简介VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 1应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。2结构特点将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。3语言特点与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：4功能强大、设计灵活VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言虽不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。5支持广泛、易于修改由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。6强大的系统硬件描述能力VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。7独立于器件的设计、与工艺无关设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。8很强的移植能力VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。9易于共享和复用VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。10应用特点（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。二 谈谈仿真的分类、作用及过程1功能设计阶段。 设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环 境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软 件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于SOC 内，哪些功能可以设 计在电路板上。 2设计描述和行为级验证 供能设计完成后，可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块，并决定实现 这些功能将要使用的IP 核。此阶段将接影响了SOC 内部的架构及各模块间互 动的讯号，及未来产品的可靠性。 决定模块之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设 计。接着，利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器，对设计进行功能验证（function simulation，或行为验证 behavioral simulation）。 注意，这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，但无法获得精确的结果。 3逻辑综合 确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具（synthesizer）进行综合。 综合过程中，需要选择适当的逻辑器件库（logic cell library），作为合成逻辑 电路时的参考依据。 硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要 因素。事实上，综合工具支持的HDL 语法均是有限的，一些过于抽象的语法 只适于作为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。 逻辑综合得到门级网表。1.电路设计 依据电路功能完成电路的设计。 2.前仿真 电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真。 3.版图设计（Layout） 依据所设计的电路画版图。一般使用Cadence软件。 4.后仿真 对所画的版图进行仿真，并与前仿真比较，若达不到要求需修改或重新设计版图。 5.后续处理 将版图文件生成GDSII文件交予Foundry流片。 仿真界专家和学者对仿真下过不少定义。艾伦（A.Alan）在1979 年8 月出版的“仿真”期刊上对众多的定义进行了综述，其中雷诺（T.H.Naylor）于1966 年在其专著中对仿真作了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统（或者它们的某些部分）在若干周期内的特征。”其它一些定义只对仿真作一些概括的描述：仿真就是模仿真实系统；仿真就是利用模型来作实验等等。从这些有关仿真的定义中不难看出，要进行仿真试验，系统和系统模型是两个主要因素。同时由于对复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置，而现代化的计算机又责无旁贷地充当了这一角色，所以系统仿真（尤其是数学仿真）实质上应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三项要素的基本活动则是：模型建立、仿真模型建立和仿真试验。系统仿真技术作为分析和研究系统运动行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要的手段和方法，随着40 年代第一台计算机的诞生而迅速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论、计算技术、信息处理技术的发展，计算机软件、硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究、工程应用、仿真工程和工具开发环境等许多方面都取得令人瞩目的成就，形成一门独立发展的综合性科学。综合国内外仿真界学者对系统仿真的定义，可对系统仿真做如下的定义：系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。上述定义中的计算技术，除了包含通常意义下的计算理论和技术，还应该包括现代运筹学的绝大部分内容。对信息理论、控制理论、运筹学等概念和术语，其它一些有关系统科学和系统工程的著作都给予了明确的解释。定义中模型可以是定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是数学的，或者是它们的综合。要对某一系统进行研究，其“白色”部分，可以建立定量的解析模型；“灰色”部分则可以通过实验、观测和归纳推理获得其模型结构，并根据专家经验和知识来辨识其参数；而对于“黑色”部分则只能借助于各种息知识（感性的、理性的、经验的、意念的、行为的等）给予定性描述。系统仿真的分类依据不同的分类标准，可将系统仿真进行不同的分类。如：（1）根据被研究系统的特征可分为两大类，连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等）以及连续-离散混合模型。离散事件系统仿真则是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。（2）按仿真实验中所取的时间标尺(模型时间）与自然时间（原型）时间标尺T 之间的比例关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若/T=1，则称为实时仿真，否则称为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时/T1 和亚实时/T1 两种。（3）按照参与仿真的模型的种类不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理-数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真）。物理仿真，又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上作试验不易修改系统的结构和参数。数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件硬件环境，动画与图形显示、输入输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性与合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软硬件技术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。物理-数学仿真，又称为半实物仿真，准确称谓是硬件（实物）在回路中（Hardware In the Loop）的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。半实物仿真有以下几个特点：1）原系统中的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。在半实物仿真中，可将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验，可以避免建模的困难。（2）利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性。（3）利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。 仿真过程是正确实现设计的关键环节，用来验证设计者的设计思想是否正确，及在设计实现过程中各种分布参数引入后，其设计的功能是否依然正确无误。仿真主要分为功能仿真和时序仿真。功能仿真是在设计输入后进行； 时序仿真是在逻辑综合后或布局布线后进行。 1. 功能仿真 ( 前仿真 ) 功能仿真是指在一个设计中， 在设计实现前对所创建的逻辑进行的验证其功能是否正确的过程。 布局布线以前的仿真都称作功能仿真， 它包括综合前仿真（ Pre-Synthesis Simulation ）和综合后仿真（ Post-Synthesis Simulation ）。 综合前仿真主要针对基于原理框图的设计 ; 综合后仿真既适合原理图设计 , 也适合基于 HDL 语言的设计。 2. 时序仿真（后仿真） 时序仿真使用布局布线后器件给出的模块和连线的延时信息， 在最坏的情况下对电路的行为作出实际地估价。 时序仿真使用的仿真器和功能仿真使用的仿真器是相同的， 所需的流程和激励也是相同的； 惟一的差别是为时序仿真加载到仿真器的设计包括基于实际布局布线设计的最坏情况的布局布线延时， 并且在仿真结果波形图中，时序仿真后的信号加载了时延， 而功能仿真没有。