EDA开发流程.doc

1、开发流程在了解了硬件描述语言的演进过程中，相信各位对 VHDL 及 Verilog HDL与 ASIC EDA 工具之间的关系，应已有基本的认识。在此，让我再强调一次：在高阶设计的领域中，硬件描述语言扮演的角色，只是一种程序语言接口（PLI） ；它提供了一个极具弹性的设计入口（design entry） ，以作为电路设计者与各种计算机辅助设计工具之间沟通的桥梁 。因此，若缺少了这些 EDA工具，硬件描述语言的剩余价值，也只不过是一种系统规划工具，或是技术文件格式而已。 具体地说，整个数字电路的高阶设计概念 ，可以说就是设计自动化（design automatize）的实现。理想的情况是：由仿真

2、验证设计是否符合原始设定的规格（specification） ，以至于诸如逻辑电路的合成与实际晶体管配置与绕线（place and route）这一类徒手不易掌控的工作，工程师均能寻求适当的 EDA 工具来完成整个电路的设计。完整的自动化数字电路设计流程包含了三种主要的 EDA 工具：仿真器（simulator ） 、合成器（ synthesizer）以及配置与绕线（place and routing, P&R）工具；除了 P&R 工具之外，其余两者绝大部分，均是以 VHDL 或 Verilog HDL 作为其程序语言接口。以下，笔者将配合介绍这个典型的自动化设计流程，简述各项 EDA 工具的

3、基本功用。 1.系统规格制定（Define Specification） 在 ASIC 设计之初，工程师们须根据产品的应用场合，为 ASIC 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。在这方面，目前已有厂商提供系统级仿真器（system -level simulator） ，为系统设计提供不错的解决方案；透过此类仿真器，工程师们可以预估系统的执行效能，并可以最佳化的考量，决定软件模块及硬件模块该如何划分。除此之外，更可进一步规划哪些功能该整合于 ASIC 内，哪些功能可以设计在电路板上，以符合最大的经济效能比。 2.设计描述（Design De

4、scription） 一旦规格制定完成，便依据功能（function）或其它相关考量，将 ASIC划分为数个模块（module） ；此阶段是整个设计过程中最要的关键之一，它直接影响了 ASIC 内部的架构及各模块间互动的讯号，更间接影响到后续电路合成的效能及未来产品的可靠性。 决定模块之后，便分交由团队的各个工程师，以 VHDL 或 Verilog 等硬件描述语言进行设计亦即功能的行为描述（behavioral description） ；为能明确及有效率地描述模块的内部功能，各模块之下可能再细分成数个子模块（sub-module） ，直到能以可合成（synthesizible）的语法描述为止

5、。这种一层层分割模块的设计技巧，便是一般所谓的阶层式设计（hierarchical design） ；这与早期直接以绘制闸级电路进行设计的时代，所使用的技巧是相类似的。此一步骤所完成的设计描述，是进入高阶合成电路设计流程的叩门砖；习惯上，称之为硬件描述语言的设计切入点（HDL design entry） 。 关于此一步骤，亦有相关的辅助工具相继推出。Design Book 便是其中的代表；它利用一般工程师熟悉的图形接口如状态图及流程图，协助初接触以硬件描述语言进行设计的工程师，自动编写出相对应的硬件语言描述码。效能如何笔者不敢断言，但它能依使用者决定，整合惯用之其它 EDA 工具的特点，倒是满

6、吸引人的地方。 3.功能验证（Function Verification） 完成步骤 2 的设计描述，接下来便是利用 VHDL 或 Verilog 的电路仿真器，针对先前的设计描述，验证其功能或时序（timing）是否符合由步骤 1 所制定的规格。通常，称这类验证为功能仿真（function simulation） ，或行为仿真（behavioral simulation） ，而这类的 HDL 电路仿真器，则通称为行为仿真器（behavioral simulator） 。 对于这一类功能验证的仿真而言，仿真器并不会考虑实际逻辑闸或联机（connenct wires）所造成的时间延迟（time

7、delay） 、闸延迟（gate delay）及传递延迟（ transport delay） 。取而代之的是，使用单一延迟（unit delay）的数学模型，来粗略估测电路的逻辑行为；虽然如此无法获得精确的结果，但其所提供的信息，已足够作为工程师，针对电路功能的设计除错之用。 为了能顺利完成仿真，在此，您还需要准备一分称为测试平台（test bench）的 HDL 描述?。在这份测试平台的描述档中，必须尽可能地细描述所有可能影响您设计功能的输入讯号组合，以便激发出错误的设计描述位于何处。幸运的话，或许在几次修改之后，就可得到您想要的结果，顺利进入下一个步骤。 4.逻辑电路合成（Logic sy

8、nthesis） 确定设计描述之功能无误之后，便可藉由合成器（synthesizer）进行电路合成。合成过程中，您必须选择适当的逻辑闸组件库（logic cell library） ，作为合成逻辑电路时的参考依据。组件库的取得，可能直接来自于您的 ASIC供货商（ASIC vendor, 负责协助客户设计 ASIC 的厂商） 、购自其它组件库供货商（third-party ASIC library vendor） ，或是为了某种特殊原因，您亦可能考虑自行建立。 事实上，组件库内含的逻辑闸信息非常广泛，大致上包括了以下各项。 cell schematic，用于电路合成，以便产生逻辑电路的网络列表

9、（netlist） 。 timing model，描述各逻辑闸精确的时序模型；组件工程师会萃取各逻辑闸内的寄生电阻及电容进行仿真，进而建立各逻辑闸的实际延迟参数。其中包括闸延迟（gate delay） 、输出入的延迟（input delay / output delay）及所谓的联机延迟（wire delay）等；这在进入逻辑闸层次的电路仿真，以及在 P&R 之后的仿真都会使用到它。 routing model，描述各逻辑闸在进行绕线时的限制，作为绕线工具的参考资料。 silicon physical layout，在制作 ASIC 的光罩（ mask）时会使用到它。使用合成器有几个需要注意的

10、事项，其一就是最佳化（optimize）的设定。根据步骤 1 所制定的规格，工程师可对合成器下达一连串限制条件（constrain ） ，根据这些条件，合成器便会自动合成满足您规格要求的逻辑电路。最常见的三个限制条件（注 3）有：操作速度、逻辑闸数及功率消耗。事实上，这三项限制条件之间是呈现互相矛盾的关系；也就是说：一旦您所下的限制条件太过严苛，将使电路合成的速度变得非常的慢，更甚者，有可能在花费大把时间后，仍得不到您想要的结果。 design entry 硬件语言设计描述文件，其语法的编写风格（HDL coding style） ，亦是决定合成器执行效能的另一个因素。事实上，无论是对 VHD

11、L或是 Verilog 而言，合成器所支持的 HDL 语法均是有限的；过于抽象的语法只适用于编写 cell library，或是做为系统规划评估时的仿真模型所用，而不为合成器所接受。 此外，由于一般合成器的最佳化算法则，都只能达到区域性最佳化（local optima） ；因此，对于过分刁钻的语法描述，将影响合成器在最佳化过程的执行时间。 5.逻辑门层次的电路功能验证（Gate-Level Netlist Verification） 由合成器产生的 netlist，会在这个阶段进行第二次的电路仿真；一般称之为逻辑闸层次的电路功能验证，或称为 P&R 前的仿真，简称前段仿真（pre-simula

12、tion） 。在此阶段，主要的工作是要确认，经由合成器所合成的电路，是否如同原始的设计描述般，符合您的功能需求；利用逻辑闸层次仿真器（gate-level simulator） ，配合在功能验证时已经建立的 test bench，便可达到这个目的。 这里出现两个新的名词：VITAL（VHDL Initiative Toward ASIC Library） 、library 及 Verilog library；两者均可视为先前所提及的 cell library 当中的 timing model。在 pre-simulation 中，一般只考虑闸延迟，而联机延迟在此处是不予考虑的（通常在电路合成阶

13、段，是无法预测实际联机的长度，因此也就无法推测联机所造成的延迟） 。 时序变异（timing variation）是此处经常出现的发生错误，这当中包括了，设定时间（set-up time）或保持时间（holding time）的不符合，以及脉冲干扰（glitch）现象的发生。而这些时序变异，基本上都是只是单纯考虑闸延迟时所造成的结果。 6. 配置与绕线（ Place and Routing） 这里包含了三项主要的工作：平面规划（floor planning） 、配置（placement ）及绕线（ routing） 。还记得在设计描述的步骤，您已将 ASIC划分成数个模块了吗？floor pl

14、anning 的工作便是，适当地规划这些划分好模块在芯片上的位置。 比起模块内逻辑闸间的接线，各模块之间互连讯号的接线，通常会比较长，因此，他们所产生的延迟会主控 ASIC 的性能；在次微米制程上，此种现象更为显著，这也就是为何先前特别强调，模块划分的重要性。完成平面规划之后，P&R 工具便接着完成各模块方块内逻辑闸的放置与绕线。 7.绕线后的电路功能验证（Post Layout Verification） 在这个阶段，经过 P&R 之后的电路，除了须重复验证，是否仍符合原始之功能设计之外，工程师最关心的是，在考虑实体的闸延迟及联机延迟的条件之下，电路能否正常运作。与逻辑闸层次的电路功能验证时

15、发生的情况相同，您将面对诸如 set-up time、holding time 及 glitch 的问题；不同的是，此时若真有错误发生，您将面对更冗长的重复修正周期（iteration cycle） 。也就是说，您可能需要回到最原始的步骤：修改 HDL 设计描述，重新再跑一次相同的流程。 麻烦还没有完，由于需要参考的参数非常的多，仿真时间将花费您数倍于先前的仿真。经由 P&R 工具所产生的标准延迟格式（Standard Delay Format, SDF）档，提供了详实的物理层次的延迟参数；透过 VITAL 的参数回传机制（back-annotation） ，仿真器能够精确的预估数字电路的电气

16、行为，并且指示出发生时序错误的时间点，而您所须付出的代价就是 “ 时间 ” 。最后，非常幸运的您完成了这项验证工作，便可以 sign-off，等着您的 ASIC vendor 交货了。 整个设计流程在此只能算是大概介绍完毕 ；这当中牵涉到许多未提及的层面，其中包括了时脉（clock tree） 、测试设计（ Design for Test） 、功能一致性验证（function equivalence check） 、以及静态仿真（static simulation）等等。 结论 假使设计硬件电路能像写软件这样方便，那该是多么美好的景象；硬件描述语言的高阶合成电路设计，为我们打开了这扇窗。事实上

17、，VHDL 及Verilog HDL 并非唯一的硬件描述语言，基于相似的目的，早期也发展出其它如 ABEL 及 AHDL 等硬件语言，但是由于支持的厂商不多，因此目前不如前者来得普遍。最近，VHDL 及 Verilog HDL 的发展协会 ，为提供更一般化的电路描述，已制定了能够同时描述数字及模拟混合电路的描述语法（注 4） ，相信支持其语法的相关 EDA 工具，应该能在近期面市。 为能迎接系统芯片（System on One Chip, SoC）以及智产权（Intellectual Property, IP）的时代来临，各 EDA 工具的供货商无不卯足全力，企图在下一世代的设计流程上，站在业界领先的地位。Synopsys 及Cadence 更是相继推出应用功能一致性验证及静态仿真等技术的产品，例如：Formality、PrimeTime（Synopsys ）以及 Affirma（Cadence ） ；其它诸如预先平面规划（pre-floor-planning）等新的设计观念亦不断地被提出。虽然电路的设计工具及观念不断推陈出新，但是对传统的芯片设计厂商而言，如何将这些新的概念，整合进原先的设计流程，才是最重要的问题。希望本文介绍的基本设计流程，能提供初入门者一个完整的概念。笔者相信，只要以这个典型的设计流程为基础，应该不难接受新的设计观念才对.