数字VLSI芯片设计—使用Cadence和Synops.pdf

1、列 系 材 教 信 通 与 子 电 外 国 数字 VLSI芯片设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -使 用 C a d e n c e 和 S y n o p s y s C A D 工 具 Digital VLSI Chip Design with Cadence and Synopsys CAD Tools 美 Erik Brunvand 著 周润德译 S I 電 孑 工 實 出 , 跃 PUBLISHING HOUSE O F ELECTRONICS INDUSTRY http:/w W W .phei

2、.C O m .C n数字 VLSI芯片设计 -使川 Cadencc和 Synopsys CAI) l.il Digital VLSI Chip Design with Cadence and Synopsys CAD Tools 本书介绍如何使用 Cadence和 Synopsys公司的 CAD工具来实 际设计数字 VLSI芯片。读者通过本书可以循序渐进地学习这些 CAD工 具，并使用这些软件设计出可制造的数字集成电路芯片。本书内容按集 成电路的设计流程编排，包括 CAD设计 平台、电路图输入， Verilog 仿真、版图编辑、标准单元设计、模拟和数模混合信号仿真、单元表 征和建库、 Ver

3、ilog综合、抽象形式生成、布局布线及芯片组装等工 具；每一工具的使用都以实例说明，最后给出了一个设计简化 MIPS 微处理器的完整例子。 本书可与有关集成电路设计理论的教科书配套使用，可作为高等院 校有关集成电路设计理论类课程的配套教材和集成电路设计实践类课程 的教科书，也可作为集成电路设计人员的培训教材和使用手册。 謹 議 _ 策划编辑：谭海平 參 责 任 编 辑 ： 平 欢 迎 2录 责任美编： 喻 晓 圓 H h U P:/whx 获 取 优 质 教 学 资 汲 h ttp :/w w w .h xe d u .co m .cn PEARSON ISBN 978-7-121-09607

4、- 本书贴有激光防仍标志，凡没有防仍标志者，属盗版图书。 定价： 5 9 .0 0元国外电子与通信教材系列 数字 VLSI芯片设计 -使用 Cadence 和 Synopsys CAD 工具 Digital VLSI Chip Design with Cadence and Synopsys CAD Tools 美 Erik Brunvand 著 周润德译 常 孑 工 實 出 麻 鈕 . Publishing House of Electronics Industry 北京 . BEIJING内容简介 谭海平 史 平 北京市顺义兴华印刷厂 三河市双峰印刷鎂订有限公司 电子工业出版社 北京市海淀

5、区万寿路 173信 箱 邮 编 ：100036 787 x 1092 1 /16 印张 ：24 字数 ：675 千字 2009年 11月第 1次印刷 4000册 定价： 59.00元 凡所购买电子工业出版社的图丨 5有缺损问题， 请闷购买书店调换；若书店售缺，请与本社发行部联系。联系 及邮购电话 : (010) 88254888。 质最投诉请发邮件至 ,盗版侵权举报请发邮件至 。 服 务热 线： (010) 88258888。 本书介绍如何使用 Cadence和 Synopsys公司的 CAD丄 具来实际设计数字 VLSI芯片。读者通过本书可以循 序渐进地学这些 CAD工具，并使用这些软件设计

6、出可制造的数字集成电路芯片。本书内容按集成电路的设 计流程编排，包括 CAD设计平台、电路图输入、 Verilog仿真、版图编辑、标准单元设计、模拟和数模混合信 号仿真、 单元表征和建库、 Verilog综合、 抽象形式生成、 布局布线及芯片组装等工具；每一工具的使用都以实 例说明， 敁 后给出了一个设计简化 MIPS微处理器的完整例子。本书可与有关集成电路设计理论的教科书配套 使用， 可作为 髙 等院校有关集成电路设计理论类课程的配套教材和集成电路设计实践类课程的教科书， 也可作 为集成电路设计人员的培训教材和使用手册。 Authorized translation from the Eng

7、lish language edition， entitled Digital VLSI Chip Design with Cadence and Synopsys CAD Tools, 9780321547996 by Krik Brunvand, published by Pearson Education, Inc, publishing as Addison Wesley, Gpy- right 2009 Pearson Education, Inc. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or tran

8、smitted in any form or by any means， electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system， without permission from Pearson Education， Inc. CHINESE SIMPLIFIED language edition published by PEARSON EDUCATION ASIA LTD” and PUBLISHING HOUSE OF ELECTR

9、ONICS INDUSTRY, Copyright 2009. 本书 中文 简 体 字版 专 有出版权 由 Pearson Education (培生教 育 出版集 团） 授予 电子工业出版社。 未经 出版者 预 先 书 面许 可， 不得 以任何 方 式 复 制 或抄袭 本书的任何部 分 。 本书贴有 Pearson Education (培生教 育 出版集 团） 激光防 伪 标 签 ，无 标 签 者 不得销 售。 版权 贸易 合 同登记 号图字： 01-2009-3288 图书 在 版编 目（ C IP)数 据 数字 VLSI芯片设计：使用 Cadence和 Synopsys CAD工具 /

10、 ( 美 ） 布 鲁范 德 （ Brunvand， E.) 著；周润德译 . 北京：电子工业出版社， 2009.11 书 名原文 ：Digital VLSI Chip Design with Cadence and Synopsys CAD Tools ( 国外电子与通信教材系列 ） ISBN 978-7-121-09607-5 I . 数 II. 布 周 III.超大规 模集成电路 -芯片 -计 算机辅助 设计 -教 材 IV.TN470.2 中 国版本图书 馆 C1P数 据核 字 （ 2009)第 174394号 策划编辑 : 责任编辑 : 印 刷 : 装 订 : 出版发行 : 开 本 印

11、 次 印 数序 2001年 7月 间 ， 电子工业出版社的 领导同 志 邀 请 各 高校 十几位 通信 领域方面 的 老师 ， 商量引 进 国外教材问题。与 会同 志 对 出版社 提 出的计划 十分赞同 ， 大家认 为， 这 对我 国通信 事 业、 特别是对 高等院校通信学科的教学工作 会很 有 好 处。 教材建设 是髙 校教学建设的 主要 内容 之 一。 编 写 、 出版一本 好 的教材， 意味着开 设了一 门好 的 课程， 甚 至可 能预示着 一个 崭新 学科的 诞 生。 20世纪 40年 代 M IT林肯 实 验室 出版的一套 28本 雷 达丛 书， 对近代 电子学科、 特别是对雷达技术

12、 的 推动 作用， 就是 一个 很好 的例子。 我 国 领导 部 门对 教材建设一 直非 常 重视 。20世纪 80年 代 ，在原 教 委 教材编 审委 员 会 的 领导下 , 汇 集了 髙 等院校 几百位富 有教学 经验 的 专家 ， 编 写 、 出版了一 大批 教材； 很多 院校 还根据 学校的 特点 和 需要 ，陆续 编 写 了 大量 的 讲 义和 参考 书。这些教材 对 高校的教学工作发 挥 了 极好 的作用。 近 年来， 随着 教学 改革不断深 人和科学 技术 的 飞速 进 步 ， 有的教材内容 已比较陈旧 、 落 后， 难 以 适应 教学的 要 求 ， 特别是在 电子学和通信 技术

13、 发 展神速 、 可以 讲是日新 月 异 的 今天 ， 如何 适应 这 种情况 ， 更是 一个 必须认 真 考虑 的问题。 解决 这个问题 , 除 了 依靠 高校的 老师 和 专家撰写新 的 符 合 要求 的教科书外， 引 进和出版一些国外优 秀 电子与通信教材， 尤其是 有 选择 地 引 进一 批英文原 版教材， 是会 有 好 处的。 一年 多 来，电子工业出版社为 此做 了 很多 工作。 他们 成 立 了一个 “国外电子与通信教材系列 ” 项目 组， 选派 了 富 有 经验 的业 务骨干负 责有关工作， 收 集了 230余种 通信教材和 参考 书的 详细 资 料 , 调来了 100余种原

14、版教材 样 书， 依靠由 20余位专家 组成的出版 委 员 会 ，从中精选 了 40多种 ，内容 丰富 ，蒗盖 了电路理论与 应 用、信号与系 统 、数字信号处理、 微电子、 通信系 统 、电 磁场 与微 波 等 方面 ，既 可作为通信 专 业本科生和 研究 生的教学用书，也可作为有关 专 业人员的 参考 材 料 。此 外 , 这 批 教材， 有的 翻 译为 中文 ， 还 有部 分 教材 直接影 印出版，以 供 教 师 用 英语直接授 课。 希望 这些教 材的 引 进和出版 对 高校通信教学和教材 改革能起 一定作用。 在 这 里 ， 我还要感谢参加 工作的 各位 教 授 、 专家 、 老师

15、与 参加翻 译、 编辑和出版的 同 志 们 。各 位专家认 真 负 责、 严谨细致 、 不辞辛劳 、 不怕琐碎 和 精益求精 的 态度 ， 充分体现 了 中 国教 育 工作者 和出版工作者的 良好 美德。 随着我 国 经济 建设的发 展 和科学 技术 的 不断 进 步 ，对 高校教学工作 会不断提 出 新 的 要求 和 希 望 。 我想 ， 无 论如何， 要做好引 进国外教材的工作， 一定 要 联系 我 国的实际。 教材和学 术专 著 不同 , 既要注意 科学 性 、 学 术性 ，也 要重视 可读 性 ， 要深 入 浅 出， 便于 读者 自 学； 引 进的教材 要适应 高校 教学 改革 的 需

16、要 ， 针对目前 一些教材内容 较 为 陈旧 的问题， 有 目 的地 引 进一些 先 进的和 正在 发 展中 的 交叉 学科的 参考 书； 要 与国内出版的教材 相 配套， 安 排 好 出版 英文原 版教材和 翻 译教材的 比 例。 我们 努力 使这套教材 能 尽 量 满足上述 要求 ，希望 它 们能 放 在 学生 们 的课 桌上 ，发 挥 一定的作用。 最后， 预 祝 “国外电子与通信教材系列 ” 项目 取 得 成 功 ， 为 我 国电子与通信教学和通信 产 业的 发 展 培 土施肥 。 也 恳切 希望 读者 能对 这些书 籍 的 不 足 之 处、 特别是翻 译 中 存 在 的问题， 提 出

17、 意 见 和 建 议 ，以 便 再 版 时 更正 。 中 国工程院院 士 、淸 华 大 学教 授 “国外电子与通信教材系列 ”出版 委 员 会主 任出版说明 进入 21世纪 以来， 我 国信 息产 业 在 生 产 和科 研方面 都 大大加 快 了发 展速度 ，并 已 成为国 民 经 济 发 展 的 支柱产 业 之 一。 但 是 ， 与 世 界上 其他 信 息产 业发 达 的国 家相比 ， 我 国 在技术开 发、 教 育 培 训等 方面 都 还 存 在着较大 的 差距 。特别是在加 人 WTO后的 今天 ， 我 国信 息产 业 面 临 着 国外 竞争 对 手的 严 峻挑战 。 作为 我 国信 息

18、产 业的 专 业科 技 出版社， 我们 始终 关 注着 全球 电子信 息 技术 的发 展方 向 ， 始终把 引 进国外优 秀 电子与通信信 息 技术 教材和 专 业书 籍放 在我们 工作的 重要位 置上 。在 2000年至 2001 年 间 ，我 社 先 后 从世 界 著 名 出版公司 引 进出版了 40余种 教材，形成了一套 “ 国外计 算机 科学教材 系列 ”，在 全 国高校以及科 研 部 门中 受到 了欢迎和 好 评 ， 得 到 了计 算机领域 的 广 大 教 师 与科 研 工作 者的 充分肯 定。 引 进和出版一些国外优 秀 电子与通信教材 ,尤其是 有 选择 地 弓 I进一 批英文原

19、 版教材， 将 有 助于 我 国信 息产 业培 养 具有国际 竞争 能 力 的 技术 人 才 ,也 将 有 助于我 国国内 在 电子与通信教学工作 中 掌 握 和 跟踪 国际发 展 水 平。 根据 国内信 息产 业的 现 状 、教 育 部 关 于 “十 五”期 间 普 通高等教 育 教材 建设与 改革 的 意 见 的 指 示精神 以及高等院校 老师们 反映 的 各种意 见 ， 我们决 定 引 进 “ 国外电子与 通信教材系列 ”，并 随 后 开展 了 大 董 准 备 工作。 此 次 引 进的国外电子与通信教材 均 来 自 国际著 名 出 版 商 ， 其中影 印教材 约占 一 半 。教材内容 涉

20、 及的学科 方 向 包括电路理论与 应 用、 信号与系 统 、 数字 信号处理、 微电子、 通信系 统 、电 磁场 与微 波 等， 其中既 有本科 专 业课程教材，也有 研究 生课程教 材，以 适应不同 院系、 不同专 业、 不同 层 次的 师 生 对 教材的 需求 ， 广 大师 生可 自由选择 和 自由 组合 使用。 我们还 将 与国外出版 商 一 起 ，陆续推 出一些教材的教学 支持 资 料 ，为 授 课教 师提供 帮 助 。 此 外， “国外电子与通信教材系列 ”的 引 进和出版工作 得 到 了教 育 部高等教 育 司的 大 力支持 和 帮 助 ，其中 的部 分引 进教材 已 通过 “教

21、 育 部高等学校电子信 息 科学与工程类 专 业教学 指 导委 员 会 ” 的 审核 ， 并 得 到 教 育 部 髙 等教 育 司的 批 准， 纳 入了 “教 育 部高等教 育 司 推 荐 国外优 秀 信 息 科学 与 技术 系列教学用书 ” 。 为 做好 该 系列教材的 翻 译工作， 我们 聘 请了 清 华 大 学、 北京 大 学、 北京邮电 大 学、 南 京邮电 大 学、 东南 大 学、 西安 交 通 大 学、 天 津 大 学、 西安 电子科 技大 学、电子科 技大 学、 中 山 大 学、 哈尔滨 工业 大 学、 西南 交 通 大 学等著 名髙 校的教 授 和 骨干 教 师参 与教材的 翻

22、 译和 审 校工作。 许多 教 授在 国 内电子与通信 专 业 领域 享 有 较 高的 声 望 ， 具有 丰富 的教学 经验 ， 他们 的 渊博 学 识 从根 本 上保证 了教 材的 翻 译质 量 和 专 业学 术方面 的 严 格 与准 确 。 我们在此对他们 的 辛 勤 工作与 贡献 表 示 衷心 的 感谢 。 此 外， 对于 编辑的 选择 ， 我们达 到 了 专 业 对 口 ；对于从英文原 书 中 发 现 的 错误 ， 我们 通过与作者联 络 、从 网上 下 载勘误 表等 方 式， 逐 一进行了 修 订； 同 时 ，我们对审 校、排版、印制质 量 进行了 严 格 把 关。 今 后， 我们

23、将 进一 步加 强 同各 高校教 师 的 密切 关系， 努力 引 进 更多 的国外优 秀 教材和教学 参考 书， 为 我 国电子与通信教材 达 到 世 界 先 进 水 平 而努力 。 由于我们对 国内外电子与通信教 育 的发 展 仍 存 在 一些 认 识上 的 不 足 ， 在选 题、 翻 译、出版等 方面 的工作 中还 有 许多需要改 进的地 方 ， 恳 请 广 大 师 生和读者 提 出 批 评 及建 议 。 电子工业出版社教材出版 委 员 会 主 任 副 主 任 委 员 吴佑 寿 中 国工程院院 士 、淸 华 大 学教 授 林 金桐 北京邮电 大 学校 长 、教 授 、博士 生 导师 杨 千

24、 里 总 参 通信部 副 部 长 ，中 国电子学 会会 士 、副 理 事 长 中 国通信学 会 常 务 理 事 、博士 生 导师 林 孝康 清 华 大 学教 授 、博士 生 导师 、电子工程系 副 主 任、通信与微 波研究 所所 长 教 育 部电子信 息 科学与工程类 专 业教学 指 导分委 员 会委 员 徐安士 北京 大 学教 授 、博士 生 导师 、电子学系 主 任 樊昌 信 西安 电子科 技大 学教 授 、博士 生 导师 中 国通信学 会 理 事 、IEEE会 士 程 时昕 东南 大 学教 授 、博士 生 导师 郁道银 天 津 大 学 副 校 长 、教 授 、博士 生 导师 教 育 部电

25、子信 息 科学与工程类 专 业教学 指 导分委 员 会委 员 阮秋琦 北京 交 通 大 学教 授 、博士 生 导师 计 算机 与信 息 技术 学院院 长 、信 息 科学 研究 所所 长 国 务 院学 位委 员 会 学科 评议 组成员 张晓 林 北京 航空航 天大 学教 授 、W士 生 导师 、电子信 息 工程学院院 长 教 育 部电子信 息 科学与电 气 信 息 类 基础 课程教学 指 导分委 员 会 副 主 任 委 员 中 国电子学 会 常 务 理 事 郑宝玉 南 京邮电 大 学 副 校 长 、教 授 、W士 生 导师 教 育 部电子信 息 与电 气 学科教学 指 导委 员 会委 员 朱 世

26、 华 西安 交 通 大 学 副 校 长 、教 授 、博士 生 导师 教 育 部电子信 息 科学与工程类 专 业教学 指 导分委 员 会 副 主 任 委 员 彭启琮 电子科 技大 学教 授 、博士 生 导师 、通信与信 息 工程学院院 长 教 育 部电子信 息 科学与电 气 信 息 类 基础 课程教学 指 导分委 员 会委 员 毛军 发 上 海 交 通 大 学教 授 、博士 生 导师 、电子信 息 与电 气 工程学院 副 院 长 教 育 部电子信 息 与电 气 学科教学 指 导委 员 会委 员 赵尔沅 北京邮电 大 学教 授 、 中 国邮电高校学报 （ 英文 版 ） 编 委会主 任 钟允 若 原

27、 邮电科学 研究 院 副 院 长 、总 工程 师 刘 彩 中 国通信学 会 副 理 事 长兼秘 书 长 ，教 授 级 高工 信 息产 业部通信科 技委 副 主 任 杜振民 电子工业出版社 原 副 社 长 王 志 功 东南 大 学教 授 、博士 生 导师 、射频 与光电集成电路 研究 所所 长 教 育 部高等学校电子电 气基础 课程教学 指 导分委 员 会主 任 委 员 张 中 兆 哈尔滨 工业 大 学教 授 、博士 生 导师 、电子与信 息 技术研究 院院 长 范 平志 西南 交 通 大 学教 授 、博士 生 导师 、信 息 科学与 技术 学院院 长译者序 超大规 模集成电路 （ V LSI)

28、 的 飞速 发 展是 20世纪 70年 代 以来人类 历 史 上 的一个 奇迹 。它 的出 现 与发 展 彻底 改 变 了人类 文 明和人 们日 常生 活 的 面目 。现在 ，VLSI CM OS的制造工 艺 已 缩小到 前 所 未 有的 深 亚 微 米尺寸 和 超深 亚 微 米尺寸 ， VLSI的设计和 应 用也 已 渗透到 几 乎 每一个工程 技术领 域 ，特别是 片 上 系 统 （ SoC )、片 上网络 （ N o C )的出 现 与发 展对 集成电路的设计 提 出了 新 的 要求 。 这些芯片的设计本质 上 是 一 项团 队 合作， 需要 系 统 设计 师 、 软件工程 师 、 芯片

29、 构架 设计 师 、 专 利产 品 供应商 以及工 艺 与器件工程 师之间 密切沟 通。 而首 先要求 设计者 应 当 能 熟练掌握 数字集成电路设 计的 C A D工具， 特别是 当 前 工业 界普遍 使用的 C A D工具 （ 如 Cadence与 Synopsys公司的 CA D工 具 ） ，并 能 把 整个芯片设计过程内部 密 不 可 分 的 各 个流程联系 起 来， 融 会 贯 通。本书 正是 为 此目 的 而 写 的。 本书 是 作者 根据在 美国 犹 他大 学 （ University of Utah )多 年 讲授 数字 大规 模集成电路课程的 讲 义和 经验写 成的，具 体

30、介绍如何使用 Cadence和 Synopsys公司的 C A D工具实际设计数字 V LSI芯 片。读者通过本书可以循序渐进地学习这些 CA D工具，并使用这些软件设计出 即 可制造的数字集 成电路芯片。 本书内容按 照 集成电路的设计流程编排，包括 CA D设计平台、电路图输人、 Verilog仿真、版 图编辑、标准单元设计、 模拟和数 /模混合信号仿真、 单元表征和建库、 Verilog综合、抽象形式生 成、 布局布线以及整个芯片组装等工具；每个工具的使用都以实例说明， 敁 后 还 给出了一个设计简 化 MIPS微处理器的完整例子。书 中 列出了使用这些软件 时 顺序 键 人的 命令 ，

31、以及 在 工作 站屏幕上 相应 显 示 出的工具 窗 和 对 话 框 的图片， 为读者 展示 了真实的设计 环境 。 书 中还提供 了 大量 设计资 料 ， 包括 Verilog源 代 码 、软件的 安 装信 息 以及工 艺 与单元库的例子。 因 此 ，本书 不 仅 是 一本 初 学者学 习 C A D工具的 指 导 书，也 是 一本设计者可 随 时 参考 的简明手册。 本书可与有关集成电路设计理论的教科书配套使用， 如 J. Rabaey， A. Chandrakasan和 B. Nikolic 所著 “Digital Integrated Circuits”一书的第 二 版， 以及 N.

32、Weste和 D. Harris所著 “CMOS VLSI Design” 书的第三版。这 两 本书 在 国内都 已 出版了 影 印本和 中 译本。 本书可作为高等院校有关集成电路设计理论类课程的配套教材和集成电路设计实践类课程的教 科书，也可作为集成电路设计人员的培训教材和使用手册。 本书 在翻 译过程 中 受到清 华 大 学微电子学 研究 所 领导 和 多位 教 师 的关 心 ， 特别是得 到钱佩 信教 授 、贺祥庆 教 授 、王燕 教 授 、吴 行 军副 教 授 、李树 国 副 教 授 以及 胡苑 、陈 玉洁 、王 华、 陆自 强 、郭 磊 、钱欣 、高 俊丽 等 多位老师 的 帮 助

33、与 指 正 。我 的学生 戴宏宇 、张 盛 、王乃龙 、杨骞 、肖勇 、张建 良 、 王硕 、刘萌萌 、 王雪强 等 在 完成译 稿 过程 中 给 予我很大 的 支持 。特别是 王硕 ， 他现在已是我 的 年 轻 同事 ， 他不 仅 通读了 原 著和 全 部译 稿 ， 而 且 提 出了 许多 宝 贵 的 修 改意 见 。 我 的 妻 子 金 申 美和 女 儿 周 晔 帮 助翻 译 修 改 了部 分 章节 并完成了 全 部的 文 字输入和 文 稿 整理。 我在此 一并 深 表 谢意 。 最后， 本书 虽 经 仔 细 校 对 ， 但 由于 译者 水 平有限， 文中 定有 不 当 或 欠妥 之 处，

34、 望 读者 批 评指 正 。 译者 2009年 8月 于 清 华 园本书介绍如何使用 Cadence Design Systems公司和 Synopsys公司的 商 用 CA D工具实际设计数 字 超大规 模集成电路芯片， 其目 的 是 作为集成电路设计 方面较 为理论化教科书的 补 充 教材。例如， 由 Addison Wesley 公司出版 ，Weste 和 Harris 所著的 “CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective” 丨 丨 丨 一 书 ，以及 由 Prentice Hall公司出版， Rabaey， Chandrak

35、asan和 Nikolic所著的 “Digital Integrated Circuits: A Design Perspective” 书， 就是 两 本集成电路设计理论教材的例子 D 使数字 超大规 模集成电路课程的设计流程实践 环 节 能 付诸 实 现 的 原 因 之 一， 是 使用了 功 能很 强 的 商 用 CAD工具设计集成电路。 使用 不同 工具完成整 块 芯片设计过程的 不同 阶段称 为 “工具流程 ” 。 在商 业设计 环境 中 ， 设计 团 队 非 常 乐 意在 设计过程的每一 阶段 选 用最 佳 等 级 的工具。 也 就是 说， 经 过 仔 细 评 估 将 在 每一 阶段

36、 使用 现 有的最 好 工具， 即 使这 意味着 将 要从许多不同 的 供应商 那 里 购买工 具。 但 在大 学 环境 中 ，我们 所 能 购买 CA D工具的 经 费 通常 比较 有限，并 且 也 不能 花费太 多 的 时 间 与 许多不同供应商 的工具 打 交 道 。 本书 中 描 述 的 超大规 模集成电路 CAD流程使用 两 家 公司的工具， 即 Cadence Design Systems公 司和 Synopsys公司的工具。 这些工具 能极好 地 记 录并 跟踪 设计一 块 成 功 芯片所 必需 的 大量细 节 ， 但 学习并 掌握 这些工具 是 一个 令 人 难 以 忍 受 的

37、过程。 几 年来， 我 为设计流程 中 的每一 种 工具都 开 发了 辅导 学习用的 详细 例子， 而 世 界上 的 其他 教 师 也 在做同样 的 事情 ， 看 起 来这 是 没有 必要 的 重复性 工 作。 因 此 ， 我想 如 果 有一本书 能 把 这些 辅导 材 料收 集 在 一 起 ， 并 将 其 与 代 表整个芯片设计过程的内 部 密 不 可 分 的流程联系 起 来， 也 许会对其他 设计者、 学生及教 师 都 非 常有用。 当 然 ， 这并 不意味着 本书 要代 替 一本 VLSI设计的教科书， 但 却 是对 它 的 补 充 。 本书也可以 供 那 些 在自 己 的设计流程 中

38、使用这些工具的芯片工程 师们参考 。 事 实 上 ， 我 发 现我 自 己 在接 触 到 一个芯片设计 项目 的 各 个 不同 阶段 时 也常常 要参考 它 。 确 实， 在 设计过程 中需要记 住 许多细 节 。 关 于 数字 V LS I课程 本书来 源 于我在 美国 犹 他大 学 多 年 讲授 一 门 数字 VLSI课程的 经 历 。我深 刻 体会 到 这 门 课程的 学习 途径 。 特别 地， 尽 管 这 是许多 学生所 上 的有关数字集成电路设计的第一 门 课， 但 我还是认 为 他 们应 当 经 历 一个完整芯片的设计 项目 ，直 到 这 块 芯片 能 制造出来。这 门 课的一学

39、期 教程如 下 ： * 首 先 ，学习 晶 体 管 理论， 打 好 一个 坚 实的 基础 。 其 次，学习如何用 CM OS晶 体 管 构 成布 尔 逻 辑 门 以实 现 逻 辑 功 能 。 * 再 次，学习 晶 体 管 的制造过程，以及如何 画 版图来定义 各 个制造 层 。 籲 再 后，学生组成 团 队 开 发出 自 己 的包 含 1020个单元的 小 规 模 CM OS单元库，单元的类 型 可以 从 反 相 器 到 D 触 发器。 接着 ， 对 这些单元的 功 能 和 时 序进行表征， 使 它 们能 用 在 综合工具 中 。 它 们同 时 还 生成抽象 形式以用 在 布局布线工具 中 。

40、參最后， 学生 团 队 使用 Verilog作为 前 端 工具来 开 发一个 项目 。 他们 以 自 己 的单元作为 目 标库， 并用综合及布局布线工具实 现 一个可 付诸 制造的完整芯片设计。 * 作为 选项 ，学生 团 队 可以 选择是 否 制造 他们 的芯片。这可以 得 到 MOSIS助 教计划 （ MOSIS Educational Program)丨 3丨的 慷慨 支持 。学生设计的芯片制造后 返回 给学生，以 便在下 一个学 期 进行 测试 。 这个 “由 始 至 终 ” 的过程使一学 期 的学习 充 满活力 。我相 信， 所有学生都 能从开 发 他们 的 项目 直 至芯片 能 付

41、诸 制造的过程 中 受 益 。 即 使学生最 终 并没有 选择 真 正 制造出 他们 的芯片也 会 有所 收 获。 这个实践使学生的芯片 “可 付诸 制造 ”，为设计 项目 创 造了一个真实的 环境 ，使 他们能深 刻 体会 到 为使一个 项目 成 功 需要 关 注多 少 个 细 节 。我 试 图 告 诉 我 的学生： “VLSI设计 （ 达 到 某 一 水 平 ） 并 不 困 难 ，不 过 非 常 费 时 。 ” 他们 通常 在 学 期 结束 时 都 会相 信 我 的这 句 话。 注 释 ：我 倾 向 于 的 另 一 种 说 法 是 ，“当 读者完成了芯片的 90%的 时 候 ，还 剩 下

42、90%的 事情要 去 完成 。 ” 对于决 定 把 自 己 的设计 送去 制造的学生来说, 他们还 有 在 芯片 返回 之 后 测试 芯片的 额 外学习 机 会 。 就许多 学生 而 言 ， 他们在 使用 测试仪测试 芯片 时心 里是非 常 害 怕 的。 但当 他们 最 终 验 证 芯片 能 够 工作 时 ， 就会非 常 满 意 。 许多 学生 还会 围绕 自 己 的芯片 继 续 构 造出 小 系 统 ， 以进一 步验 证 其 功 能 。 而 对于 另 外一些学生， 测试 过程 将 以 非 常真实的 方 式 告 诉 他们 ， 设计 良好 的 测试 向 量 用 于 仿真 很不 容 易 ， 并 且

43、 在 仿真 时 所 做 的 假 设 会 如何使 他们 误 认 为 事情是 成 功 的。最后， 学生 们 通常 会 发 现 ， 芯 片 确 实 在 执 行仿真 时 预 测 的 功 能 ，但 其性能 也 许 与 他们 所设计的 不 完 全 相同 。 补 充 信 息 本书介绍了 许多 用 在 设计流程 不同 部 分 的数 据文 件、 脚 本和 其他 一些信 息 。 这些 文 件、 有关工 具的 其他 信 息 ， 以及本书 中 所有 插 图的 彩 色 版本， 都可以 在 本书的 网站 http:/www.pearsonhighered. com/brunvand 上 找 到 。 此 外， 该网站 还提

44、供 教 师 使用的资 源 ， 包括本书使用的完整的 UofU一 Digital单元库。 我 把 这个 库 置 于 单 独 的部 分 ， 这 样 教 师就 可以 选择或 者 让 学生 直接 使用这一 预先 设计 好 的单元库， 或 者 让 学 生 不参 照 这一 现 有库的 细 节 而 建 立他们自 己 的单元库。 致谢 许多 犹 他大 学的学生都用过本书的 不同 版本， 我非 常 感谢他们 的 耐 心 和有 益 的建 议 。 我希望 本 书 对他们 学习数字 V LSI的设计 艺 术能 有所 帮 助 。 我自 己 也 从 一些优 秀 教 师 和 同事 那 里 学 到 了 许多 有关芯片设计的

45、知 识 。我于 1981年 在 上 Kent Smith的 VLSI课程 中 设计了 我 的第一 块 芯片。 那 时 ，我们 使用 Computer Vision公司 专门 用 于 集成 电路设计的工作 站 设计 5 |im nM OS电路 （ 在 1982年的课程 中我们 才 开 始 采 用 CMOS )。我们 的设 计 存 储 在 九 道 磁 带 上 ，并用 CalComp公司的 圆珠笔绘 图 仪打 印版图。这些芯片通过 初 出 茅庐 的 M OSIS服 务 部 门 制造。 从 那 时 起 ，我们在 V L S I课 上 所 采 用的 CM O S工 艺 特 征 尺寸 已 缩小 了 10倍

46、 ，达 到 0.5 pm。而产 业 界 高 性能 芯片的 特 征 尺寸 已 缩小 了 100倍 ，达 到 0.045 pm (45 rrni)。然 而 ，甚 至 在 工 艺 技术 出 现 了如 此 惊 人的进 步之 后，集成电路设计的 基 本 原 理仍 然 改 变 不多 。因而 , 我们 课程的芯片仍 然 通过 M OSIS制造。 注 释 ：注意 ，器件 特 征 尺寸缩小 100倍 ，大 约 相 当 于 把 能 放 在同 一 面 积 上 的器件数 目 增 加 10 000倍 。我得益于 与 许多极 具 灵 感 的设计 师 合作 ,他们是 Randy Bryant, A1 Davis, Carl

47、 Ebling, Ran Ginosar， David Harris， Reid Harrison, Alan Hayes, Ian Jones， Dick Lyon, Charles Molnar, Mike Parker, Bob Reese, Bob Sproull, Marshall Soares, Ken Stevens, James Stine, Ivan Sutherland 和 Allen Tanner 等。 我 也 从我 以 前从事 VLSI设计 研究 的 研究 生 那 里 学 到 了 许多 ， 他们是 Gaurav Gulati， John Hurdle, Luli Jos

48、ephson， Vamshi Kadaru, Ajay Koche, Niti Madan， Sudheesh Madayi， Joe Novak, Bill Richardson, Himanshu Singh, Tom Wolf 和 Jung-Lin Yang。 把 我 上 课的 讲 义 改写 成书的工作，最 初 是我在 哥伦 比 亚 大 学 （ Columbia University ) 学 术 休假 期 间 完成的，并 且 部 分 资 助 来 自 犹 他大 学的 John R. Park奖 学 金 。 非 常 感谢 Cadence Design Systems公司和 Synopsys公

49、司 乐 意授 权 我从他们 优 秀 的 CA D工具包 中复 制 屏幕照 片。 如 果 读者使用的这些工具与本书例子 中 的版本 不同 ， 则 所 看 到 的 屏幕窗口 和 菜 单 命令 与本书 中 的 会 稍 有 不同 。 但 是 ， 本书 中 的 屏幕窗口 和 菜 单 命令将 有 助于 读者了 解 设计过程的每 步 、 Addison-Wesley/Pearson的 朋友 们在 本书出版的过程 中 表 现得极 为出 色 。我特别要感谢 编辑 Matt Goldstein， Sarah Milmore 和 Jeff Holcomb, 感谢文 字编辑 Genevieve dEntremont 和 封 面 设计人 员 Elena Sidorova。 Erik Brunvand目 录 第 1章 引 言 1 1.1 C A D工具流程 2 1.1.1 定制 V LSI及单元设计流程 . 2 1 .1 .2层 次化的单元 /模 块 A SIC流程 3 1.2 本书的内容 . 3 1 . 3 关 于 工具的 瑕疵 问题 . 4 1 . 4 工具设 置 及 执 行 脚 本 4 1 . 5 字 体 使用 约 定 . 5 第 2章