1、目录摘要：10 前言 21 集成电路产品和微电子技术的发展 21.1 集成电路产品类型的发展规律 31.2 微电子技术和设计方法学 52 SOC 与 IP72.1 SOC 概述 72.2 IP 重用设计方法学 93 在我国发展 IPSOC 产业的意义 94 当代集成电路设计方法学 104.1 集成电路设计方法学发展历程 114.2 基于平台的设计方法学 144.3 基于平台的设计的流程 164.4 集成电路设计的几项原则 195 结论 21参考文献 211集成电路设计方法学研究摘 要：当今微电子工业的产值占世界经济总产值的 4，已经是全世界最大的产业。预测表明，在今后的 25 年里，更将占到世
2、界总产值的 8。像所有迅速发展的事物一样，发展产生了分工，更细的分工又推动着更高速的发展。作为微电子技术的一个分支微电子设计业的分工也在进行着细化，其中最引人注目的是，设计公司逐步划分为可重用功能模块设计和系统集成类。功能块电路(IP，Intellectual Property)基本上是中、小规模设计，这与我国目前的微电子设计能力有比较好的衔接，适合我国目前的国情。集成电路设计主要分为数字集成电路设计和模拟集成电路设计。数字集成电路技术在现代电子系统中得到了广泛的应用，同时也带动了模拟集成电路技术的发展，从而实现芯片更复杂的功能并获得更高的速度和可靠性。但是由于模拟集成电路设计自动化程度落后于
3、数字集成电路，模拟电路的设计更依赖于工程师的智力，这对模拟集成电路设计方法学和模拟 IP 设计技术的研究提出了更高的挑战。关键词： 集成电路；微电子；半导体；数字；模拟；设计方法学Research on Integrated Circuit Design MethodologyAbstract: Nowadays microelectronic industry has become the biggest one of whichproduction value occupies 4 percent of the whole worldThe forecast indicates thati
4、ts value will reach to 8 percentLike all the rapidly developing things，development produces division of workand more specific division drive much faster developmentThe division ofmicroelectronic design industry is also under the way，which is a branch ofmicroelectronic technologyThe most attractive o
5、ne is that design companies growinto two categories-IP(Intellectual Property)block design and system integrationSince the scale of IP block is mainly small or middle，this has a better interfacewith national design capability and fit for the present situation of our countryIC(Integrated Circuit)desig
6、n is divided into digital and analogDesigntechnology of digital IC is widely used in modern electronic system，which drivesthe advancement of analog IC design technology；consequently，chip can beimplemented with more complex functionality，higher speed and reliabilityBecause automation degree of analog
7、 IC design is far from that of digital IC design, analog design depends on the intelligence much more，which makes analog ICdesign 2flow and IP design technology face more challengesKey words: Integrated Circuit，microelectron，Analog ,Digital , Design Methodology0 前言在这个技术创新的时代中，半导体器件扮演了十分特殊的角色。这个角色可以追
8、溯到 1947 年半导体晶体管的发明，1958 年集成电路(IC，Integrated Circuit)的发明以及目前正在发展中的系统芯片(SOC，SystemonaChip)。现代技术进步的速度及其引发的社会变革在人类历史上也是前所未有的，仅近30 年，单片集成电路上集成的晶体管数就增长了百万倍。正是源于这种史无前例的进步速度，使得移动电话、彩色电视、数码相机、个人电脑、互联网络等高科技全面进入了寻常百姓家，迅速改变着人类的生产模式、文化娱乐和生活方式。早期的集成电路设计实际上仅是掩模设计，电路规模小，电路复杂度低，设计工程师有一般的电路知识就已经足够了。设计科只是半导体工厂的一个部门，甚至
9、不是最重要的部门，其工作方式则主要依靠手工作业和个体劳动。30年后的今天，特大规模集成电路(VLSI)的电路规模已经发展到千万门级，专门的电路知识领域和极高的设计难度已非以往半导体工厂所能及，也非一般电子设计部门所能及。电路知识领域的划分不再停留在计算机通讯测量工业控制等大的范围，甚至也不再是个人机大型机工控机的水平。仅就 PC 机而言，一家微电子设计公司 (规模之大如英特尔)也很难同时插手CPU， IDE，VGA，Chip-set，MPEG 等 PC 机主要芯片中的两个，其领域分工之细、电路知识之专精、设计难度之大由此可见一斑。微电子技术和集成电路产业的发展速度为人类历史上所仅见。但与其他事
10、物一样，微电子技术和集成电路产业的发展也是有规律的。1 集成电路产品和微电子技术的发展统计资料表明，近年来集成电路产品产值占基础元器件产值的一半，而后者则占整个电子工业产值的三分之一。集成电路产品己成为现代电子信息技术升级换代的核心与基础。集成电路产品是技术创新的集中体现，同时产品的发展趋势又引导着技术创新的走向。因此，集成电路产品五十年的发展过程蕴涵着微电子技术演变的规律。学术界以集成电路的“制造方”和“使用方”为矛3盾的对立统一双方，发现了其中的器件类型的螺旋式上升规律。该规律对预测微电子技术和集成电路产业的发展方向极具指导意义。1.1 集成电路产品类型的发展规律 123集成电路设计是基于
11、半导体材料的电子电路的创新活动。这种活动在协调集成电路制造厂家与使用厂家双方的矛盾统一运动中，形成了“标准通用”和“定制专用”两类产品。所谓“标准通用”指的是具有很高标准化程度的通用集成电路产品。这类产品的通用性和标准化有利于制造方的大批量生产。而“定制专用”指的是面向特定用户群的专用集成电路产品，有利于使用方，而增加制造方的工作量。集成电路产业的发展规律之一就是这两类产品的周期性消长( 我们称其为“半导体产品集成电路的特征波动” ，简称“特征波动”)，如图 1-1 所示。这就是“许氏循环” 。图 1-1 集成电路产品特征波动规律1947 年美国科学家巴丁(John Bardeen)等人发明了
12、第一支晶体管。晶体管是一种通用器件，可用于各类电子装置，从而形成了半导体产品特征波动的第一个“通用”阶段。1958 年美国 TI 公司的 Jack Kilby 宣布了第一颗集成电路，从此半导体产业的主体进化成为集成电路产业。随后，日本人开发成功一系列线性集成电路，这类电路面向不同电子装置(如计算器、电视机等)，但在同类装置(如电视机 )中又是标准器件，称为“专用标准产品”(ASSP，Application Specific Standard Product)，这就是集成电路产品及其应用的第一个“专用”阶段。60 年代末、70 年代初英特尔公司开发成功微处理器(MPU， Micro-Proces
13、singUnit)芯片。MPU 丰富的指令系统可以满足应用电子系统的不同需求，是对晶体管标准器件的一次飞跃，从而使集成电路产品螺旋上升到第二个4“通用”阶段。80 年代，随着集成电路产品制造成本的不断下降和设计自动化技术及其工具的长足发展，激发了系统设计工程师设计自己专用电路的设想，以弥补 FMPU 等标准产品功能 “不足或过剩”的缺陷，满足电子系统不断创新的需要，从而推动了“一个产品满足一个用户”的专用集成电路(ASIC，ApplicationSpecific IC)的发展。其中的预制母片的掩模编程(门阵)技术，折衷了集成电路生产厂家和应用厂家间的利益，受到了普遍重视。但是这种掩模“硬”编程
14、专用电路(M-ASIC)，对双方仍不够方便。因此在 80 年代末、90 年代初又发展了以 OTP(OneTimeProgram)为代表的一类用户自编程专用电路。而以后出现的以 FPGA 为代表的可再编程器件更进一步加大了用户的编程自由度，从而使集成电路产品特征进入了一个全新概念的准“通用”阶段。在这个阶段中，硬件是通用的，而软件(编译电路的代码)则是专用的。随着ASIC 设计技术和传统 LSI 开发经验的大量积累，在微电子加工工艺进入 025微米、单片集成百万门级电路成为现实之后，集成电路开始向系统芯片(SOC)发展。SOC 实质上是一个专用系统，因而把集成电路产品特征带进了一个高级的“专用”
15、阶段。许氏循环总结了集成电路产品的发展规律，并为预测今后的发展趋势提供了理论依据。依据许氏循环，学术界预测，后 SOC 产品应该是某种形式的通用器件。2001 年 12 月 2-4 日，法国 Montpellier 召开的“2001 VLSISOC”会议上来自德国 Kaiserslautern 大学计算机科学和工程系的教授 Reiner Hartenstein 做了一个题为 “Coarse Grain ReConfigurable Architecture”的报告。报告提出：1、具有硬件可编程能力将是下一代 SOC 器件的重要特征：2、可编程重构硬件的引入将使数字系统设计方法学增加新的一维研究
16、空间，并将对设计产生重大影响。国内最近也有人开展了 DSP 可编程器件研究。这些研究都是在 SOC 体系架构下，用 FPGA 技术实现用户功能电路的重构，从而实现器件的通用性。这些研究都具有下一代的“通用”性质。同时我们也注意到这些研究都基于现有的 SOC 技术。因此。学术界预测下一代集成电路器件将是基于 FPGA 技术和 SOC 技术的通用 SOC 是一种用户可编程器件，可以称为USOC(Universal SOC，通用 SOC)。5综上所述，集成电路产品发展的波动规律描述了“使用”与“制造”的对立统一关系。在市场经济中，围绕着商品展开的使用方和制造方的矛盾是普遍的、永恒的。围绕着集成电路这
17、一特定商品展开的使用方和制造方的矛盾既反映了市场经济的矛盾的普遍性，又具有 IT 行业的鲜明的特殊性。这个特殊性就是“许氏循环”所描述的“通用性”与“专用性”的周期性消长。通用代表制造方的利益，专用则代表使用方的利益。当一方的利益发展到了极限，矛盾就会转化向它的反面。对于集成电路来说，这个螺旋式上升的转化周期为十年。矛盾是永恒的，因此发展是永恒的。探索后 SOC 时代是必须的。尊重规律是科学工作者在探索未知世界中必备的科学态度：发现新的规律是科学工作者的职责。1.2 微电子技术和设计方法学凡是介绍微电子技术的发展都要从介绍摩尔定律开始，因为它一直正确地预言着集成电路复杂度和电路功能的发展速度。
18、本文也不例外地从摩尔定律开始，并把定律的原文抄录于下：Chip complexity(as defined by the number of active elements on a singlesemiconductor chip)will double about every device generatiOilUsually taken asabout 18 cal endar months4我们注意到，(1)摩尔定律讨论的是“复杂度”(complexity) ，并没有提到电路功能 (function)：(2)复杂度用“有源元件”(active elements)的数量表征。之所以人们有
19、时也用摩尔定律预测芯片功能的发展趋势，是因为硬件电路功能的强弱也与有源器件的数量成比例。因此摩尔定律经常被扩展地表达为“集成电路的功能每 18 个月翻一番” 。这种扩展的基础建立在电路复杂度与电路功能可以互为表征的基础上。复杂度主要从制造的角度描述芯片，而功能则更多地从应用的角度考虑问题。在 SOC 以前，集成电路仅由硬件电路组成，电路复杂度与电路功能的强弱互为表征不会引起歧义，应用方和制造方都可以接受摩尔定律。从 SOC 将嵌入式软件引入集成电路以后，芯片功能第一次摆脱了仅由硬件电路实现的“一元”局面，芯片复杂度与芯片功能不再互为表征。摩尔定律必须回到它的为制造方服务的原始位置，只描述电路的
20、复杂度。这样，一个新问题出现了：如何定量地描述芯片的功能强弱。这是一个应用方关心的问题。如何定量描述 SOC 及其以后的集成电路的功能强弱，以及预测芯片功能的发展趋势是一个必须解决的6问题。本文提出这个问题，但解决这个问题超出了本文的范围。下面仅以集成电路芯片体系结构的发展过程回顾为解决这个问题提供一些线索。图 1-2 微电子技术的发展如图 1-2 所示，在 SOC 以前，集成电路芯片由传统硬件电路构成，是一元系统，与之对应的是一元设计方法学(如基于流程的设计方法)。SOC 出现后，芯片的部分功能改由嵌入式软件实现，系统发展到二元。相应的设计方法学也发展到二元设计方法学：软硬件协同设计方法。当
21、芯片中嵌入了可编程电路(如FPGA)时就发展成为三元系统：可重构 SOC。相应的设计方法学就是三元设计方法学( 如基于平台的设计方法)。可重构 SOC 系统虽然非常复杂，但重构频率低到可以认为系统硬件结构是静态的。动态可重构技术研究芯片在运行过程中重新构造电路的能力，重构频率高到必须认为系统的硬件结构是动态的。从数学的角度看，不可重构的 SOC 是电路结构的零阶导数，可重构器件是电路结构的一阶导数，而动态可重构又引进电路结构的变化速度，也就是引进了时间轴。因此，在系统级设计阶段就不仅仅需要考虑 SOC 中的软件、硬件和 FPGA之间的协同，还要考虑三者阊协同关系的变化 (重构)，更要考虑三者关
22、系的变化速度( 重构的速度) 是四元系统，相应的设计方法学就是四元设计方法学。从图 1-2 可以看到，软件、可重构器件和时间的引入使系统不断“升级” 。升级所带来的功能的增加己经看不出与电路复杂度的联系。我们以可重构功能为例说明功能的增加与复杂度增加之间的差别。可重构功能可以使一款芯片替代原来的一个产品系列。例如模拟电视的NTSC，PAL 和 SECAM 标准可以共用一款芯片，只需要在出厂前根据客户的要求将不同的制式下载到芯片，从而增大了芯片的“生命空间” 。迸一步看，这款芯片甚至可以成为 HDTV 的 ATSC 标准和 DVB 标准的载体，使该款芯片的使用寿命延伸到下一代，从而扩大了芯片的“
23、生命时间” 。由于可重构功能的引入，一款芯片从空间和时间两个方面不断地拓展自己的功能，但芯片电路的复7杂度却原则上没有变化。功能的增加已经可以脱离硬件电路的支持。动念可重构功能以随时优化一块芯片的体系结构的方式增强芯片的功能和性能，而不以增大芯片复杂度为代价。可重构功能与动态可重构功能从完全不同的角度增强芯片功能，但在基本不增加电路复杂度这一点上是相同的。SOC 及以后的集成电路芯片增加功能却不以增加电路复杂度为代价，依靠的是软件的支持，消耗的是软件开发的投入。SOC 倚重的是嵌入式操作系统；可重构 SOC 在操作系统之外又加上 FPGA 的 Compiler 和以网表形式存在的各种电路设计：
24、动态可重构 SOC 则又要加上嵌入式实时 Compiler。从上述的情况不难看出， “芯片设计就是硬件设计”的概念已经不对了。集成电路的功能越来越多地依靠软件实现，芯片设计流程也越来越多地包含软件设计环节。总有一天，集成电路设计业会出现“设计就是软件”的局面。循着这条思路寻找芯片功能的描述方法和预测方法也许可以找到答案。描述设计方法学的发展轨迹是另一个重要话题。图 1-2 以“元”为线索划分设计方法学的“代”：纯硬件、纯软件、可重构器件、动态可重构器件(时间)分别是四个独立的 “元” 。每增加一元，设计方法学就上升一代。元以及各元之次的设计( 第二章将展开讨论这个话题)。高层设计更需要设计方法
25、学的指导。而且，设计方法学如何向高抽象层次过渡本身就是一种方法学。设计方法学越来越重要了。图 1-2 为设计方法学的研究提供了一个鸟瞰全貌和启迪思路的途径。正在进行的研究可以在图 1-2 中找到自己的位置，寻找新的研究方向也可以在图 1-2 中整理自己的思路。2 SOC 与 IP集成电路产业已经发展到 SOC 和可重构 SOC 的批量生产阶段。芯片设计，尤其是 SOC 设计的周期、质量和成本把 IP 重用技术推到了一个相当的高度，IP 重用技术被认为是当前集成电路设计业所面临难题的最有前途的解决方案。IP 重用技术充分利用现有资源，缩短产品上市的周期，降低产品成本，为 SOC带来了生命力，以至
26、于 SOC 设计技术又称为基于 IP 重用的系统集成技术。就是说，SOC 的基本设计方法是对 IP 的集成(Integration)。2.1SOC 概述简单的说，SOC 就是系统芯片，又称片上系统，是将一个系统集成在一个芯片上面。SOC 也可以译为 “系统芯片集成” ，意指是一种技术，用以实现从8确定系统功能开始，到软、硬件划分，主要采用第三方的 IP 完成设计的整个过程。经过了多年的争论之后，对 SOC 的定义达成了比较一致的意见。一个集成电路芯片如果具有了以下的特性，就可以称做 SOC。1实现复杂系统功能的 VLSI。从狭义的角度讲， SOC 是信息系统的集成，是将系统集成在一块芯片上：从
27、广义角度讲，SOC 就是一个微小型系统。2采用超深亚微米工艺技术。到了超深亚微米阶段，器件的特征尺寸达到了 018005 微米。特征尺寸是指器件中最小线条宽度，对 MOS 器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最小设计尺寸单位，常常作为技术水平的标志。采用超深亚微米工艺技术可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。3用一个或数个嵌入式 CPU 或数字信号 CPU。单个芯片要处理的信息量和信息复杂度要求芯片必须具备强大的数据处理能力，嵌入式 CPU 或数字信号CPU 的使用将是 SOC 的一个重要标志。4具备外部对芯片进行编程的功能。对
28、于 SOC，由于其功能非常复杂，应用时由于各种原因使原来的设计与实际应用有些差异，需要作必要的修改或变动以适应应用环境，所以采取外部对其编程的方式是一个比较明智的做法。5主要采用第三方的 IP 核进行设计。高度复杂的系统功能和越来越高新的产品打入市场的时间要求不允许芯片设计者一切从零开始，必须借鉴和使用己经成熟的设计为自己的产品开发服务，所以采用第三方的 IP 核是 SOC 设计的必然。这个概念虽然不是非常严格，但明确地表明了 SOC 的特征。SOC 的主要价值不是在于高度的集成，而是在于 SOC 可以在较短的时间内设计出来。因此，SOC 可以定义为： SOC 是在一个芯片上由于广泛使用预定制
29、模块 IP 而得以快速开发的集成电路。与 ASIC 设计的其它技术一样，SOC 的出现是以许多技术支撑为条件的。SOC 设计主要包括三个关键的支持技术：1软、硬件协同设计技术。软、硬件协同设计技术是面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论。硬件和软件更加紧密结合不仅是 SOC 的重要特点也是 21 世纪 IT 业发展的一大趋势。2IP 模块库问题。IP 模块有三种，软核，主要是功能描述：固核，主要为结构设计：硬核，基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证过的。3模块界面间的综合分析技术这主要包括 IP 模块间的胶联逻辑技术 (glue 9logictechnologies)和 IP 模块综
30、合分析及其实现技术等。2.2 IP 重用设计方法学对于当代集成电路设计公司来说，提高 SOC 设计效率的唯一途径就是尽可能多地使用已有的电路模块，甚至从其他公司那里获得所需要的 IP，然后再将它们通过某种方式“拼装”成系统芯片。这就是 IP 的重用技术(IP Reuse)和 IP的集成。IP 核在 SOC 设计中非常重要，包含有两个方面的内容，一是 IP 核的生成，二是 IP 核的使用。IP 就是知识产权核，是一种预先设计好的甚至己经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件，也可以称为虚拟部件(VC ，Virtual Component)、 VC 包含行为 (Behavior)、结构(S
31、tructure)和物理(Physical)三个不同的方面和层次，相应地，IP 核可以分为三种，软知识产权核 (Soft IP Core)、固知识产权核(Firm IP Core)和硬知识产权核(Hard IP Core)，其中以硬核的使用价值最高。CMOS 的 CPU，DRAM，SRAM ，EEPROM 和 Flash Memory 以及AD，DA 等都可以成为硬核，其中尤以基于深亚微米的器件模型和电路模拟基础上，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。软知识产权核主要描述功能行为，通常是以某种 HDL 文本或者通用库元件网表的形式提交给用户的。软知识产权核经过了行为级设计优化
32、和功能验证，但并不含有具体的物理信息。在后续的设计中，可以很容易地调用该软核进行系统设计。硬件知识产权核是基于某种半导体工艺的物理设计，己有固定的拓扑布局和具体的工艺，一般是以电路物理结构掩模版图核全套工艺文件提供给用户的，是可以拿来就用的全套技术。由于有确定的版图，所以硬件知识产权核的面积、功耗和性能经过了优化。固知识产权核的设计深度介于软知识产权核和硬知识产权核之问，己经完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节，并且通过了硬件验证，例如采用FPGA，EPLD 进行验证，采用硬件仿真器进行验证。固知识产权核一般是以门级网表形式提交给用户的。3 在我国发展 IPSOC 产业的意义在以往的几十年里
33、，我国 IC 设计业一直面对着“或者设计出整个奔腾，或者完全被排除在设计业之外”的尴尬局面。IC 设计业的最新一轮分工为打破这10种局面提供了一个适合我国国情的切入点一中等难度和设计规模的 IP。IP 产业的建立必将从国内和国际两个方面拉动我国 IC 设计业。从国内方面看，我国屡次冲击高端 IC 设计都不很成功，原因之一是高端芯片的电路过于庞大和复杂。IP 库的建立则把“系统集成 ”与“功能模块设计”分开，分散了设计难度和规模。根据 PC 机的经验，只要 IP 阵容整齐，设计具有自主知识产权的高端芯片产品是一定会成功的。从国际方面看，IP 产业是进入国际市场的最好切入点。我国以电路算法著称，将
34、算法与 IC 设计结合成为 IP 是我国力所能及的，如果引导得当，甚至可以成为 IP 出口大国，从而结束我国 IC 设计产业长期落后的态势。我国的集成电路制造业已有一定规模，IC 设计业也正在兴起。如果引导得当，IP 产业应该可以成为我国集成电路产业的重要组成部分。4 当代集成电路设计方法学随着芯片规模的不断增大，如果每种芯片都从头设计设计工作量是非常大的，TTM (TimeToMarket)问题将非常严重 5，另一方面，随着芯片加工技术的提升，设计费用也不断攀升。例如，一套掩模的设计费用会从以前的几万美元上升到五十万美元。高度复杂的芯片的测试时间可能会长达几分钟。TTM 年 D 设计成本从来
35、是推动设计方法学进步的两个基本动力。近年来出现的重用(Reuse)技术、SOC 技术以及可编程(Programmable)技术、可重构(Configurable)技术、动态可重构 (Dynamic configurable)技术正是从降低 TTM 和设计费用的角度出发，成为当代设计方法学进步的主要技术凭借。重用技术的基本思想来源于建筑业的“预制件”和 PC 机的插件板。预制件和插件板是事先设计好、制造好、测试好的，符合标准的大型配件，用来装配系统( 这里是建筑物和计算机)。配件的规模越大，装配系统时的工作量就越小，从而导致装配速度的加快和装配成本的降低。使用插件板装配计算机只需要几十分钟，比硬
36、件从晶体管焊起，软件从编程作起的制作方法不知要快多少倍，质量保障的程度也是无法比拟的。嵌入式设计技术是基于 IP 和基于平台的设计方法的基础。嵌入式软件，尤其是嵌入式实时操作系统(RTOS，RealTime OperationSystem)的出现，使可重用 IP 的概念扩大到了软件。在当代集成电路产业界和学术界中，重用技术和嵌入式技术是两个核心技11术，基于 IP 的设计方法和基于平台的设计方法是两种最有前途的设计方法。SOC 器件的出现则是上述设计技术和设计方法的成果。4.1 集成电路设计方法学发展历程4.1.1 集成电路设计方法学的演变集成电路的设计方法总是滞后于制造技术的发展，形成了著名
37、的“剪刀差”。改进设计方法学几乎是缩小剪刀差的唯一途径。为满足不同时期的设计复杂度的需求，先后产生了三种主要的设计方法：时序驱动设计、基于模块的设计和基于平台的设计 6。时序驱动的设计方法(TimingDriven Design，TDD)：早期的设计是面积驱动的设计，其优化目标是逻辑(面积)最小化。由于面积驱动的设计方法使用统计平均的线负载模型，导致深亚微米设计中的时序设计不收敛，从而推动了时序驱动设计方法的诞生。时序驱动的核心是版图规划和互连线延迟模型，关键的设计工具是版图规划工具和时序分析工具。基于模块的设计方法(BlockBased Design，BBD)：随着制造技术的进一步提高，系统
38、的设计规模越来越大，TTM 压力也随之增加。重用技术、基于模块的设计方法就成为必然。现在，重用技术和基于模块的设计方法更进一步发展成为专业化分工的产业格局。IP 设计业与系统集成业己经发展成为两个基本独立的产业。制造技术的提高一方面造就了新一轮的产业分工，另一方面削弱了前端和后端的差别。在深亚微米技术中，连线延迟在系统总延迟中所占的比例越来越大。由于连线产生于布局布线之后，因此延迟信息的不可预知性制约着前端设计的各个环节。早期的前端后端不断循环的设计方法常常遇到不收敛的问题。Cadence 公司为此提出了物理综合的概念，从而打破了传统的前端、后端之间的界限。门级综合将带有连线延迟信息，而连线延
39、迟信息是在前端的“预布局”中获得的。物理因素考虑的提前对工具软件提出了新的要求。在“前端”的各个设计环节中都需要“预布局”功能，尽早得到连线延迟信息。基于平台的设计方法(PlatformBased Design，PBD)：“平台”包括硬件平台、软件平台和系统平台。硬件平台是一个具有基本“智能”的系统，应该包括 CPU、BUS、RAM 等基本元件：软件平台就是 RTOS(实时操作系统)；硬件平台与软件平台共同构成系统平台(System Platform)。基于平台的设计方法强调系统设计，包含了 TDD 和 BBD 的各种技术。PBD 技术要求工具软件支持软12硬件协同设计和验证，提供系统级的算法
40、和结构分析。上述三种设计方法学设计特性的比较如表 4-1 所示：表 4-1 集成电路设计方法学比较涉及特性 TDD BBD PBD设计复杂度（门） 5K-250K 150K-1.5M 300K 以上设计层次 RTL 行为设计 /RTL 系统设计设计团队 规模小、专业 多学科团队 多设计团队协作主要设计工作 专用逻辑电路 电路功能模块 系统集成设计重用 无 随即重用 有计划重用主要设计颗粒度 门和储存器 功能模块，芯核 平台和 IP总线结构 无/专用 专用 标准化/多总线结构测试结构 无 SCAN/JTAG/BIST 层次化，并行测试模拟混合信号 无 A/D、D/A、PLL 功能、接口约束/设计
41、目标 逻辑约束 模块资源预算约束 接口约束软/硬件协同设计 无 软/ 硬件功能 软/ 硬件接口时序分析 平面 平铺 /局部层次化 层次话延时计算 平面 平面 层次化4.1.2 集成电路的积木化和抽象层次的发展随着集成电路设计规模的不断增加。积木化设计方法就愈显重要。积木单元由最初的晶体管、门单元发展到今天的 IP 模块，正朝着平台的方向发展。随着系统结构越来越复杂和电路规模越来越大，设计方法对集成电路抽象层次不断提出新的要求。抽象层次是指描述电路特性的方法的抽象的程度，它历经版图、门级网表、RTL 描述发展到 C 模型。90 年代末出现的 SOC 推动了集成电路设计方法学新一轮的重大提升。SO
42、C 将一个完整的系统集成在一块芯片内，不但使电路设计变得高度复杂，而且改写了“系统级设计”的概念。在 SOC 以前，也有“系统级设计”环节，但是当时的一块芯片还不能囊括完整的系统，因此当时的系统级设计只是采用自上而下(Top Down)设计方法进行 ASIC 设计时顶层设计的环节，真正的系统级设计从 SOC 开始。自上而下的设计理论认为，越是上层的环节越是关乎全局，因此处于最顶层的系统级设计是 SOC 设计流程中最为关键的环节。基于平台的设计方法(Platform-Based Design Methodology，PBDM)为 SOC 的系统级设计提供了有效的解决方案。PBDM 是以重用技术为
43、基础的，而重用技术是一种建立13在“抽象层次”和“库”(1ibrary)概念上的设计方法。重用技术可以追溯到“门级元件库” ，亦即综合库。门级库提供的重用单元是经过验证的标准逻辑门电路设计，比晶体管的规模要大一些，而且有可靠的质量保证。HDL 硬件描述语言的出现将集成电路设计的抽象层次提高到 RTL水平，库的概念大大地被推广了。仿真库、综合库和版图库为仿真(simulation)、综合(synthesiS)和版图设计(1ayout) 提供了快速、可靠的技术支持。值得强调指出的是，仿真库、综合库和版图库是不同抽象层次上的元件库，是相应抽象层次上的重用技术的基础。随着产业界对设计速度和质量的更高要
44、求，进一步加大重用单元设计规模的呼声与日俱增。在这样的背景下，从九十年代中叶起，重用单元开始从逻辑门向 IP(Intellectual Property)发展。近年来重用单元的规模进一步提高到了“平台”(platform) 7。平台由各种 IP 构成，如 CPU 核、存储器以及 IO 等，而平台本身又将是构成下一个抽象层次的 IP。目前，在大型设计公司中基于平台的设计方法正在发展成为主流设计方法。4.1.3 系统级设计方法学系统级设计方法的研究是近年出现的前沿技术，在设计方法学中具有举足轻重的作用。SOC 系统级设计的难度是前所未有的，出现了很多研究系统级设计的方法，其中基于平台的 SOC 系
45、统级设计方法学受到了学术界和产业界的高度重视。设计平台的建设具有很强的学术性，不同学派有完全不同的理论和方法。目前，国际上的著名大学、设计公司和 EDA 公司分别联合在一起，组成了如下七个著名国际组织，开展 SOC 系统级设计平台的研究。 891011Fresco(Formal Realtime Software Components)Mescal(Modern Embedded Systems：Compilers，Architectures ，and Languages)Metropolis (UC Berkeley)Ptolemy II(uc Berkeley)SystemC(Synops
46、ys，CoWare and Frontier Design)UML(Unified Modeling Language)VCC(Cadence)上述组织分别建立了一套适合于 SOC 系统级设计的环境，并且各有侧重。4.2 基于平台的设计方法学4.2.1 基本背景介绍14平台的概念己经存在很多年了，平台视不同的应用领域(PC、IC 等)有许多不同的定义 12131415，基于芯片的“硅平台”是 PC(Personal Computer)和PCB(Printed CircuitBoard)平台的延续，下面将从 PC 领域的平台入手介绍 IC 中平台的概念。PC 和 PCB 是当代人类文明的最成功的
47、经验之一，积累了大量有用的概念、方法和技术，在集成电路方法学的研究中学习 PC 和 PCB 的经验是十分重要的。这里的 PC 泛指微型计算机，并不专指 IBM 的产品。在 PC 领域中，多年来 PC供应商一直基于标准平台快速、高效地开发产品。PC 平台包括以下几个部分 16：a稳定的 x86 指令系统，使得操作系统和应用软件在二进制层次上可以重用。事实上， MS-DOS 操作系统可以在任何 x86 兼容的微处理器上运行；b、完整的总线集合(ISA、USB、PCI 等) ，为扩展板(芯片)规定了标准接口，使得扩展板(芯片 )与 PC 整机具有全球性的完全互换性：C、向下兼容的指令系统中的中断控制
48、，提供处理软硬件间基本交互的标准途径：d、输入输出设备的完整规范，如键盘、鼠标、音频和视频设备的标准规范等。所有的 PC 都要满足以上约束。平台使 PC 制造商的设计自由度大大受到了限制，可是如果没有这些约束 PC 就不会发展到今天。仔细研究 PC 的平台结构，我们发现它并不涉及硬件或软件的微细结构的标准化，而是以高度抽象的标准体系结构约束条件的集合为特征的。另一个值得注意的特点是，抽象层次越高稳定性越好。随着时间的推进，无论 PC 平台的每一类内容如何升级，上述四个类别( 操作系统、总线、中断和外设)从来没有发生变化。基于平台的设计的概念，平台的抽象层次的概念，高抽象层次稳定性好的概念都是值
49、得集成电路产业学习的。4.2.2 集成电路的设计平台自从 SOC 出现以后，人们纷纷从不同的角度将平台的概念引入集成电路设计领域，并形成了多个学派。在集成电路设计对象(产品)和设计环境领域都使用了平台的概念，下面给出在这两个范畴中典型的平台定义 1718：a、可编程器件平台。可编程器件(主要是 FPGA)的规模己经发展到了内嵌CPU、 BUS、 RTOS、RAM 等系统主要构件的程度。这样的可编程器件就可以15看作一个平台。在这个平台上，使用事先准备好的系统构件和外围电路模块，通过编程的方式实现特定的系统功能。由于可编程器件的高度通用性，一款产品的生命周期会很长。生命周期是体现可编程产品生产效率和利润的主要途径。不同的应用领域对系统性能有不同的要求，对外围电路的需求更是千差万别，因此可编程器件平台的结构通常是针对特定应用范围而定制的。b、嵌入式系统平台。这个平台由硬件平台和软件平台组成。硬件平台是一个由 CPU、BUS、RAM 等组成的基本硬件系统。软件平台就是 RTOS。在系统平台的基础上通过快速集成的方法嵌入一系列预先设计好的软硬件 IP 模块，就形成了 SOC 产品。基
