IC設(shè)計工程師需要這樣牛X的知識架構(gòu)

剛畢業(yè)的時候，我年少輕狂，以為自己已經(jīng)可以獨當(dāng)一面，廟堂之上所學(xué)已經(jīng)足以應(yīng)付業(yè)界需要。然而在后來的工作過程中，我認(rèn)識了很多牛人，也從他們身上學(xué)到了很多，從中總結(jié)了一個IC設(shè)計工程師需要具備的知識架構(gòu)，想跟大家分享一下。

技能清單

作為一個真正合格的數(shù)字IC設(shè)計工程師，你永遠(yuǎn)都需要去不斷學(xué)習(xí)更加先進(jìn)的知識和技術(shù)。因此，這里列出來的技能永遠(yuǎn)都不會是完整的。我盡量每年都對這個列表進(jìn)行一次更新。如果你覺得這個清單不全面，可以在本文下留言，我會盡可能把它補充完整。

語言類：Verilog-2001/ VHDL ，SystemVerilog/ SystemC，Makefile/ Perl/ Python/ Shell，Tcl

工具類：NCVerilog/ VCS/ ModelSim，SimVision/ DVE/ Verdi，Vim/ Emacs，SVN/ CVS/ Git，Microsoft Office

平臺類：Windows，Linux，OS X

其他加分項目：MATLAB，ISE/ Synplify/ Vivado/ Quartus，LEC/Formality，VMM/ UVM，ESL，ZeBu Server，JIRA/ Confluence，C/ Assembly Language，Computer Architecture/ ARM Architecture/ MIPS Architecture

為什么 & 怎么辦

A） Verilog-2001/ VHDL

這里之所以強(qiáng)調(diào)Verilog-2001而不是Verilog-1995，是因為在Verilog-2001中規(guī)定了很多新特性，因此可以產(chǎn)生更好的代碼風(fēng)格。

我曾經(jīng)在什么是良好的Verilog代碼風(fēng)格一文中對新版的接口語法進(jìn)行過詳細(xì)的舉例說明。這種新的接口方式修改起來更加簡單，例化模塊的時候使用也更加方便，不像舊版的接口語法由于一個接口需要分3次描述，無端端增加了代碼行數(shù)而且閱讀和改動都很困難，尤其是當(dāng)一個模塊的接口數(shù)目超過一個屏幕的顯示范圍時Verilog-2001的這種優(yōu)勢更加突出。

學(xué)習(xí)Verilog最大的問題就是：很多國內(nèi)的書寫得都很不好，書中的很多例子都是為了說明語法特征而存在的，沒有任何實用價值，甚至很多代碼都是錯誤的（這里錯誤的意思并不是說他語法錯誤，而是說他是不可綜合的，無法用數(shù)字電路來對等實現(xiàn)的）。

所以，對于學(xué)習(xí)Verilog，我的建議是，隨便找一本類似語法手冊的書籍，匆匆把基本語法看過一遍，搞清楚模塊定義，接口定義，模塊例化，寄存器定義，線定義，always塊怎么寫這些基本內(nèi)容后，就開始到OpenCores網(wǎng)站上去下載已經(jīng)經(jīng)過FPGA驗證的完整開源項目代碼進(jìn)行學(xué)習(xí)。先做到看懂別人寫的代碼，然后再嘗試自己去模仿，有不懂的問題再有針對性地去網(wǎng)上搜索答案。

Verilog語言與軟件語言最大的區(qū)別就是，因為它是用于描述電路的，因此它的寫法是非常固定的，因為電路的變化是非常有限的。學(xué)習(xí)Verilog的時候，很多時候我們并不是在學(xué)習(xí)這門語言本身，而是學(xué)習(xí)其對應(yīng)的電路特征，以及如何對這個電路進(jìn)行描述。

如果心中沒有電路，那么你是不可能寫好Verilog的。從基礎(chǔ)開始，一點點積累類似計時器，譯碼器這樣的小型電路描述方法是非常重要的。Verilog鼓勵在電路中進(jìn)行創(chuàng)新，而不是在描述方法上進(jìn)行創(chuàng)新。因此，即使是世界上最牛的Verilog高手，他寫出來的Verilog代碼語法也都是很普通的，而他的創(chuàng)意則在于如何去組合這些基本的小型電路。

VHDL雖然我并不是太了解，但是目前在歐洲很多國家，VHDL還是主流的RTL設(shè)計語言。VHDL語言的嚴(yán)謹(jǐn)性比Verilog要好，不像Verilog中一樣存在大量符合語法卻永遠(yuǎn)無法綜合的語句，容易對新人造成誤導(dǎo)（仿真通過的代碼卻在FPGA綜合時報錯，或者FPGA實現(xiàn)結(jié)果與仿真不一致）。而VHDL和Verilog雖然可以相互轉(zhuǎn)化，但是轉(zhuǎn)化過程中仍然存在很多問題，無法做到完全的自動化。關(guān)于這一點我之前寫過一篇專題進(jìn)行探討：如何將VHDL轉(zhuǎn)化為Verilog。有興趣的同學(xué)可以去看看。

B） SystemVerilog/ SystemC

這兩種語言都是為了驗證而存在的。作為IC設(shè)計工程師，驗證知識不是必須的，但是掌握基本的驗證方法學(xué)有助于提高自己的debug效率和結(jié)果。我曾經(jīng)在如何快速搭建模塊驗證平臺一文中詳細(xì)介紹過一種我自己總結(jié)的驗證方法，這種方法就是基于SystemVerilog語法實現(xiàn)的。由于SystemVerilog對Verilog完全兼容，就像C++對C語言的兼容一樣，所以SystemVerilog（或SV）學(xué)起來其實并不算難。

SystemVerilog是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，其設(shè)計的本意是用于搭建驗證平臺，主流的VMM/UVM方法也都是基于SystemVerilog實現(xiàn)的，所以立志成為IC驗證工程師的同學(xué)，SystemVerilog的深入學(xué)習(xí)和流行方法論的學(xué)習(xí)都是必不可少的。

而對于那些只想做IC設(shè)計的同學(xué)而言，SystemVerilog同樣也是值得學(xué)習(xí)的。且不說本文前面提到的用于提高驗證效率的debug方法，即使只是為了做好設(shè)計，SystemVerilog也是大有用武之地。在歐美很多發(fā)達(dá)國家，很多世界頂級的IC設(shè)計公司內(nèi)部都已經(jīng)開始使用SystemVerilog進(jìn)行RTL設(shè)計了。由于在SystemVerilog中加入了很多類似always_ff、always_comb等用于顯式表明綜合電路意圖的新語法，代碼的可讀性更高，綜合過程中也減少了歧義，盡可能地保證了綜合結(jié)果與設(shè)計意圖的一致性。從另一個角度來說，assertion的加入也極大地提高了代碼的debug效率，非常有助于在大規(guī)模的數(shù)據(jù)交互過程中定位到出錯的初始點，沒有掌握的同學(xué)可以多花一些時間研究一下。

C） Makefile/ Perl/ Python/ Shell

以上四種都是IC設(shè)計工程師們常用的腳本語言，看起來似乎它們都跟IC設(shè)計的專業(yè)能力沒有絲毫關(guān)系，但是由于本行業(yè)的專業(yè)工具價格非常昂貴，項目需求差異極大，因此掌握一門得心應(yīng)手的腳本語言將對你工作效率的提升幫助極大。如果你還沒有嘗試過編寫自己的腳本語言，那么問問你自己，有沒有曾經(jīng)為了完成一批仿真用例熬到深夜？有沒有曾經(jīng)因為要比對幾萬個數(shù)據(jù)搞到眼瞎？有沒有曾經(jīng)因為要修改一個全局信號的比特位寬而無比抓狂？要把一個hex類型數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為memory模型需要的特殊格式怎么辦？沒錯，如果你掌握了腳本語言，以上這些奇奇怪怪的需求都不是事兒，重復(fù)而細(xì)致的體力勞動就交給計算機(jī)來完成吧。我一向信奉的口號就是：但凡做過一次的事情，就沒有必要重復(fù)第二次。

如果你已經(jīng)在工作中使用過其它工程師開發(fā)的平臺或者腳本，那么它很可能是用這4種語言寫成的。如果執(zhí)行腳本的方式是make run，那么很可能你用到的是一個Makefile腳本；如果執(zhí)行方式是source run，那么這應(yīng)該是一個Shell語言寫成的腳本；如果是其它情況，那么就得看具體這個腳本首行是怎么寫的了。Makefile和Shell語言比Perl/Python要更容易上手，寫起來也更加簡單，比較適合滿足一些非常簡單的批量任務(wù)需求。Perl的強(qiáng)項則在于它強(qiáng)大的文本處理能力和無所不能的CPAN庫，隨時可以滿足你的各種任性需求。Python的優(yōu)點則是較好的可維護(hù)性。

關(guān)于腳本語言的重要性，大家可以到這里看看相關(guān)討論：Perl等腳本語言在IC設(shè)計中有哪些用處？。

D） Tcl

嚴(yán)格來說，Tcl是一門非常單純而簡單的語言，而它的學(xué)習(xí)難點在于，只是掌握它的語法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種情況有點類似javascript，如果你用js來開發(fā)網(wǎng)頁，那么你必須深入了解DOM和HTML；如果你用js來開發(fā)游戲，那么你必須深入了解Unity3D引擎的各種知識；如果你用js來開發(fā)Web App，那么你必須會用node.js的各種庫和常見的服務(wù)端框架。

語言永遠(yuǎn)只是工具，這句話放在Tcl上再合適不過了。在IC設(shè)計這個領(lǐng)域中，Tcl是一門非常常見的語言。他可以用于描述時序和管腳約束文件，UPF信息，也可以用來搭建簡單的工作平臺。它既是很多IC領(lǐng)域EDA工具默認(rèn)支持的腳本語言，也是這些工具配置和輸出的文件格式。因此，能夠讀懂Tcl，掌握Tcl語言的基本語法，就可以幫助你更好的使用EDA工具，真可謂是Tcl在手，天下我有！

但是，成也蕭何敗蕭何，正如前文一開始提到的，僅僅掌握了Tcl的語法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是全部。不同的EDA工具對Tcl腳本提供的命令和參數(shù)支持都是不一樣的，每當(dāng)你需要為一種新工具編寫Tcl腳本時，都必須要熟讀官方給出的用戶手冊，了解這種工具支持的Tcl命令結(jié)構(gòu)，才能確保寫出的腳本是可以被正確執(zhí)行的。

E） NCVerilog/ VCS/ ModelSim/ iVerilog

以上三種都是比較業(yè)界比較主流的仿真工具，其中NCVerilog和VCS都只支持Linux平臺，而ModelSim貌似是同時支持Linux平臺和Windows平臺的。但是不管哪一種，我都希望大家能意識到兩件事：

第一，仿真器和波形查看器是兩回事，本條目介紹的只是仿真器，仿真器的工作原理跟波形查看器是有天差地別的，同時由于IEEE對標(biāo)準(zhǔn)波形文件*.vcd格式的規(guī)范，任意仿真器都是可以和任意波形查看器組合使用的。

第二，仿真器通常是沒有圖形界面的，為了更好地使用仿真器，你要熟讀自己常用仿真器的用戶手冊，了解一些常見需求的命令行參數(shù)，至少要做到了解如下內(nèi)容：如何指定編譯的文件類型，如何指定編譯文件清單，如何指定索引目錄，如何指定仿真精度，如何指定臨時的宏變量，如何指定語法檢查的嚴(yán)苛等級，如何混合編譯由多種語言寫成的工程，如何調(diào)用不同波形生成工具的pli接口，如何配合SDF反標(biāo)進(jìn)行后仿等等。

不同仿真器的功能其實都大同小異，但是是不是只掌握一種仿真器就可以打遍天下無敵手了呢？當(dāng)然不是。在實際的工程中，我們經(jīng)常用到第三方IP核，有時候出于保密的需要，第三方IP核會以加密二進(jìn)制文件的方式提供，加密二進(jìn)制文件長啥樣呢？

它們一般以“*.vp”格式命名，文件的開頭部分就是標(biāo)準(zhǔn)的Verilog語法，但是在一行注釋之后就全部變成了亂碼。通常亂碼之前的那行注釋會指定該加密二進(jìn)制文件支持的仿真器類型。所以你看，如果你是一個重度VCS使用者，而有一天項目經(jīng)理突然塞給你一個只支持NCVerilog的加密文件，你內(nèi)心一定會有千萬只草泥馬呼嘯而過。

F） SimVision/ DVE/ Verdi/ ModelSim/ gtkWave

與上面的仿真器相對應(yīng)，以上三種也是業(yè)界比較主流的波形查看工具。所有的波形查看器都必須支持標(biāo)準(zhǔn)波形文件*.vcd格式，但是由于*.vcd格式的存儲性能并不好，冗余信息過多，所以各家波形查看工具都紛紛推出了自己獨家支持的波形文件格式，如DVE的*.vpd，Verdi的*.fsdb，ModelSim的*.wlf， SimVision的*.shm等。通常波形查看工具獨家支持的文件格式都具有較高的壓縮率。

舉例來說的話，通常1G左右的*.vcd格式波形轉(zhuǎn)換為*.vpd格式后只有40MB左右，而轉(zhuǎn)換為*.fsdb后通常會更小，因此將標(biāo)準(zhǔn)波形文件*.vcd轉(zhuǎn)換為其他壓縮格式更加有利于數(shù)據(jù)備份。

如果希望在仿真過程中不生產(chǎn)*.vcd，而是直接生成壓縮率更高的其他波形查看器專用格式，則需要調(diào)用對應(yīng)工具提供的pli接口，同時配合測試平臺代碼中的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用（如$fsdbDumpOn等）來完成。

G） Vim/ Emacs

經(jīng)?？吹揭恍￢erilog新人提出這樣一個讓人啼笑皆非的問題：“請問一般Verilog編程用什么樣的軟件？

首先，Verilog是一種電路描述語言，它本質(zhì)上可能跟電路圖的血緣還更近一些，至少不應(yīng)該把這個描述過程說成是“編程”。

其次，寫Verilog其實并沒有什么專門的軟件，大部分業(yè)界的工程師都是用Vim或Emacs這樣原始粗獷的文本編輯器來寫Verilog代碼的，如果你愿意的話用Notepad或Texteditor來寫也未嘗不可，只是如果你有深入了解過Vim或Emacs的話，自然就會明白這么多人選擇它們的原因所在——提高效率。

1、你是否曾經(jīng)在代碼寫完之后被老大臭罵一頓原因是你沒有把所有的reg和wire定義都放到文件的統(tǒng)一位置（如第38行）？如果使用Vim編輯器的話，只需要使用：g%^\s*reg\s*%m 38加上：g%^\s*wire\s*%m 38就可以了。

2、你是否曾經(jīng)被要求刪除某個文件中所有的注釋？只需要：%s%//.*$%%g就可以了。

3、你是否曾經(jīng)需要把一個模塊例化256次，然后因為每次例化的一點微小不同導(dǎo)致你不能直接使用for循環(huán)？沒關(guān)系，用qq錄像功能，你只需要操作一次，然后使用256@q就可以把你的動作自動重復(fù)256次啦。

4、你是否曾經(jīng)遇到鍵盤壞掉了，“a”鍵經(jīng)常失靈甚至沒有反應(yīng)？沒關(guān)系，用：inoremap ‘ a把‘鍵重新映射為a鍵吧。

類似的例子簡直數(shù)都數(shù)不完，更多內(nèi)容參見與Verilog有關(guān)的Vim實用技巧。

所以說，使用Vim或Emacs最大的好處就是，你會感覺到你的大腦比手更忙，因為從你想清楚到代碼寫好只需要花費極短的時間。你可以把全部精力投入到代碼的內(nèi)容上，而不是代碼輸入這個機(jī)械的過程中，就好像用打字機(jī)代替毛筆的感覺一樣。只要是你能用編程描述清楚的事情，Vim就可以代替你快速完成，而前提就是你要先學(xué)會大量的Vim命令和正則表達(dá)式，以保證你的表述能被編輯器正確理解。

G） SVN/ CVS/ Git

以上三種都是目前比較主流的“版本管理”工具。什么是版本管理？

簡而言之，就是一種用于記錄和查詢文件版本改動的工具，通常都會被部署在公共服務(wù)器上，以保證數(shù)據(jù)的安全和可恢復(fù)。在項目的開始階段，首先需要創(chuàng)建好版本管理的根目錄，然后由不同的工程師逐一把自己的設(shè)計文件首次加入到版本管理的各級子目錄下。

在項目執(zhí)行的過程中，每當(dāng)有人修改一個文件，都需要通過版本管理工具上傳代碼并注釋改動內(nèi)容，版本管理工具會自動檢查改動內(nèi)容與服務(wù)器上的最新版本是否沖突（沖突的意思即是說，在該工程師改動這個文件的過程中，有其它人也對該文件的同一行代碼進(jìn)行了改動并上傳了新版本），如果沒有沖突，則會自動將新上傳的改動合并到當(dāng)前最新版本，反之，則將沖突部分進(jìn)行對比顯示，讓工程師手工判斷應(yīng)當(dāng)如何合并沖突行的內(nèi)容，解決沖突后可以再次重新上傳。

H） ISE/ Synplify/ Vivado/ Quartus

ISE和Vivado都是Xilinx旗下的FPGA工具，其中ISE比較老，官方已經(jīng)停止更新了，目前最新的版本是14.7，而Vivado作為新一代的FPGA工具一直在繼續(xù)更新。Quartus則是Altera旗下的FPGA工具，功能和ISE/ Vivado大同小異。筆者平日里對FPGA工具的接觸并不多，但從有限的接觸體會而言，Quartus比ISE/ Vivado更適合用于學(xué)習(xí)，入門的門檻更低一些，操作界面也更加簡單易學(xué)（但千萬不要使用6.2版本以下Quartus中自帶的波形仿真工具，那是垃圾）。

I） Windows/ Linux/ OS X

相信大多數(shù)人的個人計算機(jī)使用的都是以上系統(tǒng)或類似以上系統(tǒng)的其他系統(tǒng)吧。以上3個系統(tǒng)，對于專業(yè)的數(shù)字IC前端設(shè)計人員而言，工作的方便程度（注意，是專業(yè)人員的方便程度，而非學(xué)習(xí)曲線的陡峭程度，這里是指均已達(dá)到熟練掌握的前提下對于工作效率的幫助）由方便到困難分別是：Linux 》 Windows 》 OS X。

在Windows下，你可能需要的工具有Cygwin（模擬Linux shell，帶有大部分GNU工具），Modelsim，Debussy（更名Verdi后的版本沒有對應(yīng)的Windows版本）， Quartus， ISE等。在Linux下，你可能需要的工具包括Bash/Csh/Tcsh，Modelsim，Quartus，ISE，VCS，Simvision，DVE，NCVerilog，F(xiàn)ormality，LEC，Synplify等。而在OS X下（筆者不幸就位于該平臺下），你可以使用的工具就只剩下Bash/Csh/Zsh，iVerilog，gtkWave這些選擇了。

從以上內(nèi)容不難看出，在工具的多樣性角度而言，Linux完爆其它平臺，這也是為什么絕大多數(shù)IC開發(fā)公司的服務(wù)器都選擇部署在Linux下的主要原因之一。對于個人電腦而言，大部分同學(xué)會選擇使用虛擬機(jī)來兼顧不同平臺的工具選擇，個人建議大家最好在熟練掌握Linux平臺及其工具的前提下，同時也了解一下其它平臺的解決方案。

PS本文作者Kellen Wang，有部分刪減

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