第十章设计系统.docx

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第十章设计系统

第十章设计系统

VLSI系统设计通常包括了两个主要的设计层次：

系统的硬件结构设计和系统的版图设计。

系统的结构设计的目标是逻辑和电路，设计的结果是硬件逻辑、电路结构。

系统设计通常从行为描述（或逻辑描述）开始，到门级（或门级/功能级）硬件结构结束。

系统的版图设计是针对具体的硬件结构，根据实施的技术，将硬件结构转换为两维平面上的几何图形的设计过程。

这个过程又被称为物理设计。

结构设计和版图设计是两大设计分枝，但又彼此依赖。

结构设计的结果是版图设计的基本蓝图，版图设计的结果又将反过来影响系统的性能甚至功能。

因此，一个VLSI系统设计的优劣将由这两个设计方面决定。

设计系统是VLSI的设计工具，它为设计优秀的VLSI系统提供了强有力的设计手段。

离开了设计系统，VLSI系统设计不可能实现。

设计系统除了提供结构设计和版图设计的工具外，还提供了仿真和检查工具，以及其它辅助工具。

10.1设计系统的组织

一个设计系统是一个软件包，它包含了许多应用软件以及数据库。

应用软件主要由设计软件和分析检查软件以及数据交换接口软件组成，数据库主要包括两部分：

基本数据库和新建数据库，当然，设计系统还包括了一个管理和支持软件。

图10.1显示了一个设计系统的基本组织结构。

10.1.1管理和支持软件模块

管理和支持软件模块是一个“主程序”，它负责组织各软件的运行，管理数据库，协调软件与软件、软件与数据库的数据传输与交换，它甚至还要负责新软件、新数据库的添加、管理与协调。

总之，它是一个软件与数据库的组织者与管理者。

10.1.2数据库

可以说，数据库是一切设计的基础，没有它，各软件就失去了操作的对象，设计也就无从谈起。

数据库包括两个主要部分：

基本数据库和新建数据库。

基本数据库通常是随设计系统一起引入的，某些基本数据库的内容可以修改，例如描述工艺规则参数的数据库。

新建数据库则是由使用者根据设计需要添加的数据库，它不断被积累扩充，它是基本数据库的一种扩展。

下面对几种常用的数据库加以简单地介绍。

1.逻辑单元库

逻辑单元库的内容是各种逻辑单元的行为、符号，内部连接与外部端口的描述，是逻辑描述的基础。

我们之所以能调用逻辑单元描述结构并且能将逻辑与晶体管形成对应，以及能够进行仿真，正是因为有逻辑单元库的存在。

当我们设计了新的逻辑单元模块，并将它作为进一步设计的基本模块时，我们就对逻辑单元库进行了扩展。

当然，在管理上对基本逻辑单元和用户单元是加以区别的。

图10.1设计系统的组织结构

2.工艺文件库

工艺文件库通常包括了两方面的内容：

几何设计规则和电学设计规则。

在第三章中我们已对这两个设计规则的具体内容做了介绍，这里只讨论它们在设计中的作用。

任何VLSI系统的最终实现都必须经过工艺过程。

即使是现场编程器件也不例外，只不过它的工艺已预先完成。

在设计中，几何设计规则是版图设计与检查的依据，电学规则则是仿真分析的依据。

在设计中，人们往往忽视了工艺数据库的作用，因为我们常常“看不到”工艺对设计的影响。

实际上，工艺数据库的内容和加工工艺是否一致，将直接影响到我们的仿真结果的真实性，影响到设计是否能在工艺线上实现的问题。

3.标准单元库和积木单元库

这是一个可选库，如果采用标准单元实现设计则必须具备标准单元库。

标准单元库通常有两种类型：

框加库和完备库。

框加库只描述了标准单元的拓扑结构，即外框描述，并不具备具体的标准单元版图内容。

版图设计进行到布局、布线结束，最后的版图生成和后仿真由提供标准单元的厂家生成。

完备库则包含了具体的标准单元版图，这些版图以CIF格式或GDSII格式或EDIF格式描述。

标准单元库的来源有二：

自建和选购。

所谓自建就是由设计者针对某条工艺线的具体设计规则设计单元库的版图并验证，选购则是选定具体的厂家的具体工艺线，购买该工艺线对应的标准单元库。

积木单元库的情况与标准单元库的情况相同。

4.输入输出（I/O）单元库

这是一个基本库，它的库单元通常是标准单元形式，但它是独立于标准单元库而存在的。

这是因为即使没有标准单元库，输入输出单元库也必须存在。

同样的，随着设计系统的使用，输入输出单元库也会不断地得到扩充。

10.1.3应用软件

应用软件是设计系统的主要组成。

根据各应用软件的功能大致可将应用软件分为五类：

逻辑设计类软件，仿真工具类软件，版图设计类软件，校验检查类软件和其它应用类软件。

其中，前四类软件是设计中的常用软件。

1.逻辑设计类软件

逻辑设计入口主要有两种：

从行为级或寄存器传输级进入设计；从原始逻辑进入设计。

前者是从待设计系统的行为或信号的传输形式（数据流、控制流）开始设计，采用逻辑综合软件实现门级逻辑结构。

系统的行为和信号的传输形式的描述采用HDL，根据设计要求或已有的设计基础，系统中的一部分描述也可以采用结构描述。

即HDL的三种描述形式（行为、信号传输和结构描述）都可以作为逻辑综合的输入信息描述。

逻辑综合软件是一个强有力的设计根据，它可以直接生成门级或门级/功能级的逻辑结构。

从原始逻辑进入设计也是一种最常见的设计入口形式。

所谓原始逻辑是指已有的逻辑结构，它通常是由中小规模集成电路“搭制”的分立系统，或以往综合（或设计）得到的一些有用的模块，用它作为系统设计的蓝本，根据集成系统的特点进行逻辑再设计。

逻辑输入接口软件采用人机交互图形方式将逻辑输入系统。

实际上，以上两种设计入口并不是绝对分离的，经常是结合了两种方法实现设计。

因为有时我们已具有了一些性能优越的功能模块，将这些模块和其它的逻辑综合的结果一起再进行综合，得到系统的逻辑结构。

设计编译接口对设计描述信息和有关的库信息进行组织和管理，进行逻辑综合和优化。

2.仿真工具类软件

仿真工具类软件主要有三类：

逻辑模拟器，电路模拟器和时域分析器。

逻辑模拟或称为逻辑仿真工具是对所设计的逻辑进行分析的一类软件，它对已完成设计的系统模拟在实际工作时的行为和状态，用以验证设计的正确性和检查系统性能的优劣。

逻辑模拟通常分为前模拟和后模拟，所谓前模拟是对初步完成的设计进行分析，后模拟则是对已完成了版图设计的系统进行再模拟的过程，通过对加入了版图分布参数的系统的再模拟，分析实际的集成系统的功能和性能。

电路模拟软件则是对电路细节进行分析的一个有用的工具。

借助电路模拟软件我们可以掌握电路对信号响应的详细过程。

对于含有模拟单元的VLSI系统，模拟单元的特性分析必须应用电路模拟软件。

对于数字系统，电路模拟软件将帮助我们分析关键电路单元，优化系统的性能。

当我们需要了解信号在系统中传输时，各节点的时间关系时，可以采用时域分析软件。

时域分析软件检查设计的延迟特性，可以用于定位具有延迟问题的信号通道。

3.版图设计类软件

在设计系统中的版图设计有三种主要的方法：

采用全自动的版图生成方法，采用计算机辅助版图设计方法，采用人工版图设计方法。

对应了三个主要的版图设计软件：

版图自动生成软件，辅助版图设计软件和版图编辑软件。

任何版图的设计都必须遵循设计规则的规定。

版图自动生成技术

所谓版图自动生成是根据系统逻辑直接由自动设计软件产生与系统和工艺对应的版图，这中间几乎不需要设计者介入，整个的版图设计过程是全自动的。

版图自动生成软件一旦被启动，它就会根据原始输入（如逻辑、格式要求等）自动地完成相关版图的生成。

每一个版图自动生成软件都将对应一种格式的版图，如门阵列格式、标准单元格式等。

版图的布局布线完全自动进行，同时，也允许用户进行控制以设计复杂的电路。

有的软件能够自动地插入时钟缓冲器（Buffer），解决在芯片上时钟的不对称性。

或者允许用户对系统提出节点要求以满足性能要求。

设计者能够以节点延迟或节点电容指定节点要求。

版图自动生成软件的设计依据除了软件自身算法外，外部所提供的设计依据是用户要求信息、几何设计规则和电学设计规则，这里电学设计规则提供了器件的驱动能力参数，以便于软件分析是否需要插入驱动单元。

计算机辅助版图设计技术

这种设计技术具有比较高的自动化程度，主要的设计过程由软件完成，但它使设计者具有更多的干预入口。

对于有一定设计经验的设计者，往往更希望对设计具有一定的控制，以获得性能优越的设计结果。

整个的版图设计过程大致分为四个主要的步骤：

全局布局，全局布线，详细布局和最终布线。

对于每一步，设计者都可以提出具体的要求或对设计提出修改。

对于没有设计经验的设计者来说，如果对软件所完成的每一步都表示接受，则这个设计就相当于分步进行的自动设计。

全局布局采用先进的布局算法对单元进行自动布局。

全局布局的目标是在满足时延要求的情况下，使布线密度和芯片面积最小。

在对内部连线和容量进行估算后优化单元布局。

在布局能力范围内，芯片的尺寸、性能和转换时间被控制，有的软件也可以处理混合单元结构，例如彼此隔离的数模混合单元、不同电源系统的标准单元等。

I/O单元可以通过人工或自动的放置。

当采用自动放置I/O单元时，全局布局软件与核心单元同时考虑I/O单元的布局，使总连线长度和I/O通道小型化。

当采用人工I/O单元布局时，用户可以人工对I/O单元定位。

全局布线器分析设计的连接度和布线资源，它在可用资源的基础上对每个线网建立布线拓扑。

全局布线器可以自动运行而不需要人工介入，但同时用户也可以通过附加的设计要求控制布线。

交互式预全局布线软件允许用户指定总线、电源、时钟和其他关键信号。

引线单元的插入和调整也在全局布线的期间完成，引线单元的插入是为了弥补远距离相隔的单元布线资源的不足，如果需要，软件将自动的增加引线单元，在全局布局、全局布线和详细布线中都可以插入引线单元。

详细布局是对原布局进行优化，这个过程通常是通过大量的迭代计算完成。

详细布局对于设计过程非常重要，它比采用人工方法作同样工作节省了大量的设计时间。

通过详细布局的算法，芯片的尺寸被小型化并且性能得到提高。

最终布线由通道布线器完成，先进的布线算法使得布线可以绕过积木块和可变高度标准单元进行，如采用轮廓布线方法。

版图编辑技术

直观的讲，版图编辑就是在计算机上画版图。

当然，版图编辑软件不是简单的画图工具，它支持多种操作，如建立单元、调用单元、单元操作，等等。

版图编辑软件通常都支持层次化的设计，即可以采用分层分级的版图设计方法。

有的版图编辑软件除了支持几何版图编辑，还支持参数化的单元。

基本的几何版图编辑是对几何图形的操作。

版图编辑软件设置了一些基元，如矩形、多边形、圆等。

所谓画图就是在计算机上直接绘制几何图形，所谓编辑就是对图形进行操作，如图形的拉伸、放大、缩小、切割，图形的平移、对称、旋转，图形的逻辑运算（与、或、非、异或），图形的删除与复制。

将一些已建立的图形作为单元，可以在设计中进行调用和操作，实现层次化的设计。

版图编辑对设计者提出了比较高的要求，设计者必须具有相关的版图设计知识和经验，对版图有比较全面和较深刻的理解。

同时还要求设计者具有相当的器件、工艺与电路基础。

较之前两种设计技术，采用版图编辑软件进行VLSI系统设计具有比较高的优化能力，可以获得性价比较高的集成系统，前提是设计者的知识结构和能力。

4.校验检查类软件

在电路设计完成后或者在设计中，可以采用校验检查软件对设计进行检查。

这类软件大致有四种：

几何设计规则检查软件，电学设计规则检查软件，版图与电路图一致性检查软件和分布参数提取软件。

几何设计规则检查（DRC）

几何设计规则检查是检查版图中各掩膜（MASK）相关层上图形的各种尺寸，保证无一违反设计规则。

几何设计规则检查对通过版图编辑所得到的设计特别重要，因为在版图编辑的过程中很难避免设计错误，例如，看错了一个设计单位。

几何设计规则检查通过比对工艺文件中的几何设计规则，查出版图上的错误并提示设计者进行修改。

电学设计规则检查（ERC）

电学设计规则检查用于检查由版图所形成的电路是否存在违反一般电学规则的错误。

常见的一般性错误包括：

·开路错误