Verilog HDL應(yīng)用及數(shù)字IC設(shè)計與流程概述

一、HDL的概念和特征

HDL，Hard Discrimination Language的縮寫，翻譯過來就是硬件描述語言。那么什么是硬件描述語言呢？為什么不叫硬件設(shè)計語言呢？硬件描述語言，顧名思義就是描述硬件的語言，它用文本的形式來描述電子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和行為，是一種用形式化方法來描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。正是因為如此，硬件與軟件不一樣，他不像軟件，你某天突發(fā)奇想，想實現(xiàn)某個的界面，搞搞代碼就OK了。硬件它是由實實在在的物理器件搭載而成，用抽象的語言怎么可能弄出一個電路來呢？

一門語言，總有那么一些特殊之處，不然人家就不認(rèn)，HDL主要有下面一些特征：

①HDL語言既包括一些高級程序設(shè)計語言的結(jié)構(gòu)形式，同時也兼顧描述硬件線路連接的具體結(jié)構(gòu)。

②通過使用結(jié)構(gòu)級描述，可以在不同的抽象層次描述設(shè)計。HDL語言采用自頂向下的數(shù)字電路設(shè)計方法。

③HDL語言是并行處理的，具有同一時刻執(zhí)行多任務(wù)的能力，這個和高級設(shè)計語言串行執(zhí)行的特征是不同的。

④HDL語言具有時序的概念。一般的高級語言沒有時序的概念，但在硬件電路中從輸入到輸出是有延時存在的，為了描述這一特征，需要引入時延的概念。因此HDL語言不僅可以描述電路的功能，還可以描述電路的時序。

二、Verilog HDL的發(fā)展歷史

1983年，Gateway Gesign Automation 硬件描述語言公司的Philip Moorby這個人（帶領(lǐng)團隊）首創(chuàng)了Verilog HDL。

1984~1986年，Moorby設(shè)計出第一個關(guān)于VerilogHDL的仿真器。

1987年，synopsys公司使用verilog HDL作為綜合工具的輸入。

1989年，cadence公司收購Gateway公司，因此verilog也成為的cadence的囊中之物。

1990年初，cadence公開發(fā)布verilogHDL，后來open verilog HDL international組織（由verilog使用者和計算機輔助工程供應(yīng)商組成）指定標(biāo)準(zhǔn)。

1993年，幾乎所有的ASIC廠商都支持verilogHDL，OVI推出了verilog HDL 2.0版本。接著IEEE把verilog HDL 2.0 作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)的提案。

1995年12月，IEEE制定了Verilog HDL的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1364--1995。

2000年，發(fā)展為IEEE 1364--2000.

最后，在2005年，verilog 的標(biāo)準(zhǔn)停止在了IEEE 1364--2005。05年以后，與verilog有關(guān)的system verilog了，verilog的標(biāo)準(zhǔn)就不再更新了，而是融入到system verilog中。我們現(xiàn)在用的verilog HDL，都是按照05年及其以前的標(biāo)準(zhǔn)制定的語法。

三、Verilog HDL 的描述能力

在前面已經(jīng)講到，Verilog HDL可以在不同的的抽象層次進行描述電路下面的它們的具體層次分類：

描述級別抽象級別 功能描述 物理模型

行為級系統(tǒng)級用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)所設(shè)計模塊外部性能的模型芯片、電路板和物理劃分的子模塊

算法級用語言提供的高級功能實現(xiàn)算法運行的行為部件之間的物理連接，電路板

RTL級描述數(shù)據(jù)如何在寄存器之間流動和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動的模型芯片、宏單元

邏輯級門級描述邏輯門之間的連接模型標(biāo)準(zhǔn)單元布圖

電路級開關(guān)級描述器件中三極管和存儲節(jié)點以及它們之間連接的模型晶體管布圖

在這里說明一下，行為級描述中的系統(tǒng)級和算法級描述很少用Verilog HDL進行描述，而是用matlab 或者C++進行描述，邏輯級和電路級也幾乎不用Verilog HDL進行描述。真正用到的是寄存器傳輸級（RTL級），因此在描述RTL級的時候，Verilog HDL根據(jù)設(shè)計和語法的情況，有可以分為行為描述和結(jié)構(gòu)描述，這個在以后的語法中會說到。

四、Verilog HDL的應(yīng)用

Verilog HDL的一個大致情況以及說明了，那么Verilog HDL主要有哪些應(yīng)用呢？毫無疑問，就是用它來進行數(shù)字邏輯設(shè)計了，只要是在FPGA（field programer gate array ，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）的邏輯設(shè)計和數(shù)字集成電路設(shè)計前端的邏輯設(shè)計中用到。下面就來談?wù)凢PGA的設(shè)計流程和數(shù)字IC設(shè)計的流程吧。

五、FPGA設(shè)計流程

這個設(shè)計流程我就不記錄，畢竟有一部分是跟后面的數(shù)字IC設(shè)計流程重復(fù)。

六、數(shù)字IC設(shè)計與流程概述

在開篇的時候，我先講一下IC設(shè)計分類跟設(shè)計流程，提前聲明一下，由于本人水平有限，加上沒有完全親身體驗過從設(shè)計規(guī)劃到工藝制造這一完整的設(shè)計流程，只是知道這一流程的某些步驟，因此本篇的設(shè)計流程是我根據(jù)我的一些實踐體會、一些文獻內(nèi)容、一些網(wǎng)絡(luò)資料、與一些工程師的交談等得出的一個大體流程，這個流程也許跟一些公司的流程不一樣，如果有錯誤的地方，希望指出。本篇我主要記錄的內(nèi)容是IC設(shè)計的分類跟IC設(shè)計的流程概述。沒錯，就只有這些內(nèi)容，畢竟我比較垃圾，“狗嘴里吐不出象牙”，現(xiàn)在我們就看看這IC吧。

分類：

IC也就是集成電路，通俗的講也就是芯片了。我覺得芯片設(shè)計在現(xiàn)在來看，主要有Soc芯片設(shè)計、ASIC設(shè)計、FPGA設(shè)計，如下圖所示：

也許有人就出來抬杠了，說：“你這是在扯淡，不是還有功率IC這些分類么？！”。我這里是說主要，是根據(jù)大體的方向分的，功率IC嘛。。.可以算是數(shù)模混合里面，也有可以是模擬的里面，看你怎么做了?？傊?，大體分類就是這么一個情況了。

這里著重強調(diào)一下，我以后所說的，包括流程啊，設(shè)計概述啊，還是什么亂七八糟的，都是關(guān)于ASIC設(shè)計里面的，有時間我們再來掰扯掰扯SoC跟FPGA設(shè)計的問題，畢竟ASIC在向著SoC發(fā)展，此外FPGA也是不可忽略的一塊領(lǐng)域。模擬那些問題嘛，我不是很感興趣，就不在這里記載了，這里涉及的都是數(shù)字設(shè)計相關(guān)的。當(dāng)然，這只是有時間哈，沒有時間，誰想理這些東西，還是好好地弄好自己的方向吧（我自己定下的方向是：數(shù)字IC（系統(tǒng)）設(shè)計，數(shù)字信號處理相關(guān)，至于詳細的方向嘛，可能是通信，也可能是圖像，也可能是音頻等等，到時候再說吧，現(xiàn)在每個領(lǐng)域都涉及一點再說。。。）。

廢話不多少，現(xiàn)在來看一下數(shù)字IC的設(shè)計流程吧。

流程：

設(shè)計之前——項目策劃

在設(shè)計之前，需要知道自己為什么要設(shè)計這么一個數(shù)字IC（系統(tǒng)）。因此在設(shè)計之前要進行項目策劃。

項目策劃呢，大概就是這么一個過程，首先市場部門（營銷部門）等有關(guān)部門（“有關(guān)”這個官方詞語，還是很好用的，哈哈）根據(jù)經(jīng)濟狀況，對市場進行調(diào)研或者反饋，得出市場的需求；或者一些先進的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，注意到某些比較現(xiàn)在或者將來發(fā)展比較好領(lǐng)域，決定要開發(fā)這么各個產(chǎn)品。于是開會，決定這個東西可以賺一筆的時候，就讓技術(shù)人員跟市場部的進行研究、論證，最后又開一次大會，決定：“好，就這么干！”。于是，一份項目策劃書就出來了。這個項目策劃書一出來，螞蚱都得在這一根繩上爬了。項目策劃書里面有啥內(nèi)容呢，其實。。.我也不知道，md我又不是產(chǎn)品經(jīng)理、或者什么部門老大，我怎么知道，但是，有小到消息說，里面有：對項目時間及資源的描述；對設(shè)計項目的目標(biāo)描述；風(fēng)險和成本的估計分析等（具體我也不清楚，我就一硅農(nóng)，哈哈哈哈）。

OK，項目策劃完成了，下面就開始進行設(shè)計了。

設(shè)計ing——技術(shù)人員的活

設(shè)計流程大概有下面這些步驟：系統(tǒng)總體規(guī)劃、模塊設(shè)計、頂層模塊集成、頂層功能模塊驗證、邏輯綜合、形式驗證、靜態(tài)時序分析、可測性設(shè)計插入、芯片版圖物理規(guī)劃、功耗分析、單元布局與優(yōu)化、時鐘樹綜合、布線、信號完整性分析、寄生參數(shù)提取、后仿真、工程更改命令、物理驗證。用下圖表示流程可能更清晰一點：

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簡單地，可以分成系統(tǒng)設(shè)計，前端設(shè)計，后端設(shè)計。前端設(shè)計主要是輸入、驗證、綜合；后端設(shè)計主要是APR（自動布局布線，也就是從floorplan→布局→布線）。當(dāng)然，這些流程也不是完全順序操作下去的，此外，全部的數(shù)字IC系統(tǒng)設(shè)計也未必按照這個流程跑，當(dāng)有錯的時候，也是需要返回去進修改的，這里我就不返回去了。下面是相關(guān)步驟的概述，每一部分包含的內(nèi)容至少有一個章，這里僅僅是簡單介紹。

1、系統(tǒng)總體規(guī)劃（system global plan）

項目策劃完成，領(lǐng)導(dǎo)開始讓工人們干活。首先就是高級工人，系統(tǒng)算法工程師，根據(jù)要求，搞一堆算法來，看看哪一個比較符合老大的項目策劃書要求。系統(tǒng)架構(gòu)工程師根據(jù)系統(tǒng)算法工程師提出的算法，想想怎么用詳細的特定功能硬件實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)算法的硬件實現(xiàn)比較坑爹，就去找系統(tǒng)算法工程師理論。然后這兩類系統(tǒng)工程師通過對系統(tǒng)的方案、設(shè)計、仿真跟各種撕逼之后（他們撕逼的內(nèi)容聽說有這些：浮點數(shù)算法，軟硬件劃分，IC設(shè)計中數(shù)據(jù)的定點表示，定點算法表示，結(jié)構(gòu)的并行性跟流水線，存儲器分配，還有其他等。。.），達到平衡點（就是算法能夠較好地使用良好架構(gòu)跟電路的實現(xiàn)），一份系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格書就出來了。至于系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格書里面具體有什么，我們就不展開說明了。

2、模塊設(shè)計（module design）

高級的系統(tǒng)工程師完畢，就到我們這些螺絲釘，進行模塊設(shè)計了。模塊設(shè)計也還是分等級，人家有高級數(shù)字IC設(shè)計工程師。而真正專門寫模塊的呢，就是螺絲釘級的一般數(shù)字IC工程師，別稱”硅農(nóng)”。。.透露一下，系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格書里面就有進行模塊劃分的內(nèi)容，這里就是進行設(shè)計模塊了。一般，模塊設(shè)計使用HDL語言進行輸入，輸入工具使用GVIM。寫完一個模塊了，（進行代碼設(shè)計規(guī)則檢查，這個靠檢查工具來工作了，檢查工具可以檢測幾百個設(shè)計規(guī)則，檢查的內(nèi)容主要有：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則檢查、可重用性檢查、競爭條件檢查、可綜合性、可測試性、時鐘域、結(jié)構(gòu)性、加速策略、用戶自定義的規(guī)則等），然后進行功能驗證，就是驗證你寫的這個電路是不是符合模塊的功能要求，使用的工具是synopsys的VCS。仿真通過之后，就可以把模塊提交上去了給上層負(fù)責(zé)管理頂層模塊的高級數(shù)字IC工程師了。有興趣的話，可以自己綜合一下自己負(fù)責(zé)維護的模塊。

3、頂層模塊集成（top level integration）

底層的的模塊寫完之后，開始進行模塊集成，新模塊跟復(fù)用的舊模塊集成，I/O，時鐘等模塊的基礎(chǔ)，把系統(tǒng)集成起來，構(gòu)成整個系統(tǒng)后，就完成了系統(tǒng)模塊的集成。

4、頂層功能模塊驗證（top level verification）

頂層模塊集成完畢后，檢測集成之后模塊是否還能正常工作，驗證功能是否正確，各項指標(biāo)是否完好等等。這里，數(shù)字IC驗證工程師就可以放大招了。驗證使用VCS進行。驗證是一門雜活哇，各種方法學(xué)UVM之類的，還是我們硅農(nóng)的小模塊驗證比較好。

5、邏輯綜合（logic synthesis）

邏輯綜合就是通過EDA工具把頂層的HDL模塊，在一定的約束情況下，映射到制造廠家標(biāo)準(zhǔn)單元庫元件的門級電路的過程。通過這個步驟，從HDL代碼，得到了門級網(wǎng)表，也就是得到了電路。具體的有關(guān)綜合的知識將在后文聯(lián)合synopsys的綜合工具design compiler進行記載。

6、形式驗證（formal verification）

形式驗證，就是對設(shè)計過程中不同階段的輸出結(jié)果進行邏輯功能一致性的對比，根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)，判斷兩個設(shè)計在邏輯功能上是否對等。有關(guān)形式驗證的知識將在后文中記載。

7、靜態(tài)時序分析（static time analysis，STA）

靜態(tài)時序分析，就是通過EDA工具，提取電路中所以路徑的延遲信息進行分析，計算出信號在路徑上的延時，檢查時序是否滿足設(shè)定的時序約束要求。靜態(tài)時序分析將在后文中結(jié)合synopsys的PT工具進行記載。

8、可測性設(shè)計插入（design for test，DFT）

可測性設(shè)計是指：在進行電路的前端設(shè)計時，就預(yù)先規(guī)劃、設(shè)計出如何在樣片中進行電路的測試方案和辦法，并通過邏輯綜合過程完成芯片內(nèi)部專用測試結(jié)構(gòu)的插入，一遍在芯片形成后能按照預(yù)先制定的方案進行相應(yīng)的電路功能測試的一種設(shè)計方法。也就是進行可測性設(shè)計，就是在原有的電路中插入專門測試的電路（插入電路）。

上面的部分基本前端設(shè)計的部分，是我后面內(nèi)容主要涉及的內(nèi)容，后面的主要是后端設(shè)計的部分，這后端設(shè)計就是專業(yè)名詞特別多，而且還中英互聯(lián)，很少讓人討厭。所以后端的部分知識按照常規(guī)來介紹了

9、版圖物理規(guī)劃（floor-plan）

這一步驟主要是通過對EDA工具進行輸入標(biāo)準(zhǔn)單元庫、標(biāo)準(zhǔn)I/O庫、綜合后的網(wǎng)表、各種約束文件等，規(guī)劃好讓EDA工具完成各模塊的位置擺放、電源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定、I/O信號出口位置、同時確定面積、封裝、工藝、噪聲、負(fù)載能力等參數(shù)。

10、功耗分析（power analysis）

在完成版圖物理規(guī)劃后，需要進行功耗分析。功耗分析可以確定電源引腳的位置和電源線的寬度是否滿足要求。對整個版圖進功耗分析，即要進行動態(tài)功耗分析跟靜態(tài)功耗分析，找出主要的功耗單元或者模塊，以供優(yōu)化。

11、單元布局與優(yōu)化（placement & optimistic）

根據(jù)floor-plan中的布局規(guī)劃，擺放網(wǎng)表中調(diào)用的所以標(biāo)準(zhǔn)單元，EDA工具自動對時序約束、布線面積、布線擁堵等綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)單元的擺放，從而依靠EDA工具完成電路的布局設(shè)計跟優(yōu)化。

EDA主要進行自動對floor-plan的具體工作的標(biāo)準(zhǔn)單元實現(xiàn)：確定各功能模塊的位置和整個芯片的尺寸；確定I/O buffer 的位置，定義電源和地PAD的位置；定義各種物理的組、區(qū)域或模塊，對大的宏單元進行放置；設(shè)計整個供電網(wǎng)絡(luò)，基于電勢降和電遷移進行拓?fù)鋬?yōu)化；通過布局調(diào)整、約束修改、屬性添加、密度、高速信號分析等手段達到優(yōu)化的目的。

12、時鐘樹綜合（clock tree synthesis，CTS）

要了解時鐘樹綜合，那么就得中斷什么是時鐘樹。時鐘樹就是分布在芯片內(nèi)部的的寄存器跟數(shù)字的驅(qū)動電流構(gòu)成的一種樹狀結(jié)構(gòu)的電路。時鐘樹綜合就是EDA工具按照約束，插入buffer，使時鐘的源頭（時鐘根節(jié)點）到達各個需要時鐘驅(qū)動的器件（各葉子節(jié)點，如觸發(fā)器）的時間基本一致的過程。時鐘樹綜合通常使用EDA工具自動進行。

13、布線（routing）

布線就是完成模塊、節(jié)點的相互連線。EDA工具可以分成全局布線和詳細布線。一般情況下先使用EDA工具布線，然后在人工干預(yù)的情況下局部自動或者手工進行連接一些比較關(guān)鍵地連線，進行修復(fù)連接上的問題和時序約束上的問題。注意，關(guān)鍵路勁跟時鐘上的連接線要盡量最先連接，以免繞線，導(dǎo)致時序問題。

14、信號完整性分析（signal competition analysis）

信號完整性分析是通常是進行分析噪聲。隨著器件尺寸的下降，器件的供電電壓、噪聲容限均下降。也就是說，也許由于某一根導(dǎo)線可能電阻過大，帶來的壓降過大，導(dǎo)致器件的供電電壓達不到而不能正常工作等等的一系列問題。對這些問題進行分析，是信號完整分析的一部分。

15、寄生參數(shù)提?。╬arasitic extraction）

根據(jù)布線完成得版圖提前RC（電阻電容）參數(shù)文件。對EDA工具輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)（廠家提供）后，EDA工具根據(jù)這些參數(shù)和版圖實際幾何形體的面積計算出RC值，然后通過存儲從而提取出RC參數(shù)。提取出來的RC參數(shù)，可以直接用于靜態(tài)時序分析，也可以在計算出相應(yīng)的路徑延時時，用于反標(biāo)功能后仿真。

16、后仿真（post-layout simulation）

后仿真也叫門級仿真、時序仿真、帶反標(biāo)的仿真。它是通過采用外部激勵和布局布線后產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)延時文件（*.sdf），對布局布線后的門級電路網(wǎng)表進行功能和時序驗證，來檢驗門級電路是否符合功能要求。

17、工程更改命令（engineering change order，ECO）

在設(shè)計的最后階段發(fā)現(xiàn)個別路勁有時序問題或者邏輯錯誤時，通過芯片內(nèi)部專門留下的寄存器跟組合邏輯，對設(shè)計部分進行必要的小范圍的修改和重新連線。

ECO在是在網(wǎng)表上做文章，在非必須的情況下（如時間充足，人員充足），不要進行ECO。

18、物理驗證（physical verification）

物理驗證主要是一個對版圖的設(shè)計結(jié)果是否預(yù)定要求而進行的驗證過程。

首先是通過DRC（design rule check，設(shè)計規(guī)則檢查）對版圖設(shè)計中的約束違規(guī)情況進行檢查，以保證各層版圖都符合設(shè)計的要求。然后是進行LVS（layout vs. Schematic，版圖網(wǎng)表與電路原理圖比較），進行版圖網(wǎng)表跟原始電路圖的一致性對比檢查，即通過版圖寄生參數(shù)提取工具得到一個有版圖寄生參數(shù)的電路圖，將它跟原理電路圖進行比較，以確保版圖設(shè)計與原要求的電路圖的邏輯功能一致性。

此外還有一些需要進行ERC，即電氣規(guī)則檢查。這里不詳述了。
編輯：hfy