ASIC數(shù)字設(shè)計：前端設(shè)計、驗證、后端實現(xiàn)

前端設(shè)計

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中有三個重要的設(shè)計級別概念：行為級（Behavior Level）、寄存器傳輸級（Register Transfer Level）和門級（Gate level）。其中，

行為級通過行為級算法描述數(shù)字系統(tǒng)；

寄存器傳輸級通過寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行電路功能設(shè)計，例如有限狀態(tài)機(jī)；

門級按AND、OR、NOT、NAND等等描述，通常不會進(jìn)行門級設(shè)計，門級網(wǎng)表一般是通過邏輯綜合的輸出。

RTL可以用Verilog或VHDL描述。Verilog是一種用于描述數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述語言（HDL），例如Latches、Flip-Flops、組合邏輯、時序邏輯等?；旧?，你可以使用Verilog來描述任何類型的數(shù)字系統(tǒng)。設(shè)計通常以自頂向下的方式編寫，系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)，使得設(shè)計和調(diào)試更容易。verilog模塊的基本框架如下：

module top_module(
    input clk,
    input rst,
    input [7:0] in_data,
    output [7:0] out_data
);

// Instantiate submodules here

// Your code here

endmodule

模塊實例化（module instance）時，需要指定被實例化的模塊名稱（例如NAND或INV）、實例名稱（在當(dāng)前模塊中唯一標(biāo)識該實例）和端口連接列表。模塊端口連接可以按照位置順序（位置映射）或者名稱對應(yīng)（命名映射）給出。一般推薦使用命名映射，因為可以避免一些錯誤。

1.按名稱進(jìn)行端口映射：

 INV V2(.in(a), .out(abar));

2.按順序進(jìn)行端口映射，這種情況下，端口列表的順序要和被實例化的模塊一致：

AND A1(a, b, d);

下面是一個簡單的D觸發(fā)器 Verilog示例代碼：

module dff (q, d, clk, rst);
  output q;
  input d, clk, rst;
  reg q;

  always @(posedge clk or posedge rst)
    if (rst)
      q <= 0;
    else
      q <= d;
endmodule

數(shù)字電路設(shè)計分為組合邏輯和時序邏輯兩種。

用Verilog編寫的代碼并不一定都能綜合成電路。我們需要保證我們的代碼能綜合出我們想要的電路。在Verilog中，有些與時間相關(guān)的語句是不能綜合的。比如，wait, initial, delay等。

在Verilog中，可以用always語句塊來建模電平敏感和邊沿敏感的電路行為。

用always語句塊建模組合電路時，要注意每個輸出都要依賴于敏感列表。如果沒有完全指定組合電路，可能會綜合出鎖存器（latch）。

驗證

在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計完成后，要用仿真來驗證邏輯功能是否正確。在Verilog中，可以用testbench（測試平臺）來檢驗代碼。編寫testbench的一些基本原則如下：
1、Testbench要實例化設(shè)計的頂層模塊，并給它提供輸入激勵（stimulus）。
2、設(shè)計（DUT）的輸入激勵要用'reg'類型聲明。'reg'類型的數(shù)據(jù)可以在always或initial語句塊中改變。
3、設(shè)計（DUT）的輸出要用'wire'類型聲明。'wire'類型的數(shù)據(jù)不能在always或initial語句塊中賦值。
4、always和initial語句塊是兩種時序控制塊，它們是并行執(zhí)行的。initial語句塊的一個例子如下：

module testbench;
  // 定義clk和reset信號
  reg clk, reset;
  
  // 定義被測模塊的實例
  dut dut_inst(
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    // 其他端口
  );
  
  // 在initial塊中生成clk和reset激勵
  initial begin
    // 初始化clk和reset為0
    clk = 0;
    reset = 0;
    
    // 等待一段時間后釋放reset
    #10 reset = 1;
    
    // 每隔5個時間單位切換clk的值
    forever #5 clk = ~clk;
  end
  
endmodule

initial語句塊在仿真開始時（時間為0）按照“begin end”之間的語句順序執(zhí)行。遇到延遲時，該語句塊暫停執(zhí)行，等待延遲結(jié)束后繼續(xù)執(zhí)行。上面的代碼是一個比較典型的復(fù)位和時鐘激勵生成的代碼。

5、系統(tǒng)任務(wù)。這些系統(tǒng)任務(wù)不會被綜合工具識別，所以可以在設(shè)計代碼中使用它們。系統(tǒng)任務(wù)以$符號開頭。一些常用的系統(tǒng)任務(wù)如下：
$display：在仿真過程中，在屏幕上顯示文本信息
$stop：暫停仿真。
$finish：結(jié)束仿真
$dumpvar，$dumpfile：生成波形文件，保存到指定的文件中。

6、tasks用于實現(xiàn)常用的驗證功能。tasks可以有輸入，輸出，并且可以包含時序控制。下面是一個task的例子：

// 定義一個帶有時序延遲的task
task delay_task;
  input [7:0] data; // 輸入數(shù)據(jù)
  input [3:0] delay; // 輸入延遲時間
  output [7:0] result; // 輸出結(jié)果
  reg [7:0] result; // 定義寄存器存儲結(jié)果
  begin
    #delay result = data; // 延遲賦值
    $display("data = %b, delay = %d, result = %b", data, delay, result); // 打印結(jié)果
  end
endtask

// 定義一個模塊調(diào)用task
module test;
  reg [7:0] data; // 定義數(shù)據(jù)信號
  reg [3:0] delay; // 定義延遲信號
  wire [7:0] result; // 定義結(jié)果信號
  
  initial begin
    data = 8'b10101010; // 初始化數(shù)據(jù)
    delay = 4'd10; // 初始化延遲
    delay_task(data, delay, result); // 調(diào)用task
    #20 $finish; // 結(jié)束仿真
  end
  
endmodule

上面的代碼的功能是定義一個帶有時序延遲的task，然后在一個模塊中調(diào)用它。

7、編譯指令`timescale設(shè)置時間單位和時間精度

`timescale 10ns/1 ns     // 單位 10 ns，精度 1 ns

8、Verilog測試平臺可以使用包含C語言描述的編程語言接口（PLI）。

9、在編寫testbench之前，了解設(shè)計規(guī)范（spec），并且創(chuàng)建所有可能的測試用例列表非常重要。

10、可以根據(jù)波形檢查信號值是否正確。

11、在編寫testbench時，可以設(shè)置斷點，也可以單步執(zhí)行。

12、進(jìn)行功能仿真時，最好進(jìn)行受約束的隨機(jī)仿真。受約束的隨機(jī)仿真可以提供有效輸入的隨機(jī)組合。當(dāng)隨機(jī)仿真運行很長時間時，它可以覆蓋大部分的corner cases。在verilog中，可以使用$random在testbench中創(chuàng)建隨機(jī)變量。

13、覆蓋率統(tǒng)計：觀察存在多少種可能性以及有多少種可能性已經(jīng)通過仿真。

13.1、行覆蓋率：代碼中的行仿真覆蓋百分比，由仿真工具統(tǒng)計。

13.2、條件覆蓋：它檢查代碼中的各種條件語句覆蓋百分比。

13.3、狀態(tài)機(jī)覆蓋率：檢查狀態(tài)轉(zhuǎn)換覆蓋百分比。

14、回歸測試（Regression）：將新的模塊添加到已驗證的代碼中?；貧w測試是一種驗證方法，用于確保修改或更新后的代碼不會影響原有的功能和性能。

仿真目標(biāo)

功能正確：通過驗證來驗證設(shè)計的功能，主要的test cases（主要功能）和corner cases（特殊條件下）。功能正確是仿真的基本要求，確保設(shè)計符合規(guī)范和預(yù)期。例如，可以使用assertions來檢查設(shè)計的輸出是否與預(yù)期相符。

設(shè)計的錯誤處理：通過驗證來檢測設(shè)計中可能存在的錯誤或異常情況，并測試設(shè)計如何應(yīng)對或恢復(fù)。設(shè)計的錯誤處理是仿真的重要目標(biāo)，提高了設(shè)計的可靠性和安全性。例如，可以使用fault injection來模擬設(shè)計中可能發(fā)生的故障，并觀察設(shè)計的反應(yīng)和行為。

性能：通過驗證來評估設(shè)計的性能指標(biāo)，如時延，吞吐量，功耗等，并與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行比較。性能是仿真的重要目標(biāo)，影響了設(shè)計的效率和優(yōu)化。例如，可以使用profiling tools來分析設(shè)計中各個部分的資源占用和執(zhí)行時間，并找出性能瓶頸和改進(jìn)點。

真實世界仿真

在軟件的功能仿真之后，如何在真實世界中仿真你的設(shè)計呢？

FPGA原型：加快驗證速度。

硬件加速器：將一些可綜合的代碼映射到FPGA上。其他不可綜合的部分，如testbench用仿真工具驅(qū)動。當(dāng)設(shè)計非常大時，這種硬件加速驗證方法能大幅度提高驗證效率。

后端實現(xiàn)

在數(shù)字物理設(shè)計流程中需要對多個目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，包括面積，走線長度和功耗，以及需要確保物理實現(xiàn)之后的網(wǎng)表滿足設(shè)計的時序要求。以下將概述芯片數(shù)字后端的基本步驟：

物理設(shè)計的第一步是floor planning，定義芯片（die&core）的寬度和高度，也就是芯片的面積。

“core”是芯片的核心區(qū)域，用于放置(place)設(shè)計的基本邏輯單元。芯片是從晶圓（wafer）上切割出來的，晶圓是一種圓形的硅片，上面可以制造多個芯片(die)。

在布局布線（P&R）階段，工具會根據(jù)約束條件來放置邏輯單元。在正式進(jìn)行P&R之前，需要先確定一些關(guān)鍵模塊的位置，例如RAM，ROM等。這些模塊被稱為“預(yù)放置單元（preplaced cells）”。

將關(guān)鍵模塊擺放之后，圍繞關(guān)鍵模塊擺放Decap（decoupling capacitors）,提高了芯片的可靠性和效率。

在電路原理圖中，我們通常只看到一個“Vdd”和一個’Vss’，表示電源和地。但是，在芯片上，我們需要構(gòu)建一個電源網(wǎng)絡(luò)，將電源和地分布到各個模塊。在floorplan階段，我們還需要放置引腳（pin）或焊盤（pad），用于與外部設(shè)備連接。引腳是模塊級別的接口，焊盤是芯片級別的接口。

在floorplan確定（freeze）后，就可以開始布局布線（P&R）了。P&R工具的輸入包括綜合后的門級網(wǎng)表，時序庫，物理庫和設(shè)計約束。P&R工具根據(jù)設(shè)計約束（constraints），例如時鐘頻率，時序裕度（margin），最大電容等，用算法來確定標(biāo)準(zhǔn)單元（Flipflops，AND，OR，BUFFER等）的位置，并把它們放在core里。

假設(shè)時鐘網(wǎng)絡(luò)的最大電容限制是2F?？纯瓷厦娴膱D，時鐘節(jié)點’B’連著4個觸發(fā)器的’clk’腳。假設(shè)每個觸發(fā)器的’clk’腳的電容是1F。那么，PNR工具就會算出節(jié)點’B’的總電容是4F。然后它會把這個電容和約束文件里的最大電容2F比較。

因為節(jié)點’B’的電容超過了2F，工具就會用2個buffer把節(jié)點’B’的負(fù)載分開，就像圖上那樣。它從庫里選buffer（假設(shè)每個buffer的輸入電容是1F），并建一個樹（時鐘樹），來滿足設(shè)計的最大電容約束。這個過程叫做’時鐘樹綜合（Clock tree synthesis）'。

最后，物理設(shè)計完成后，PNR工具會對原來的網(wǎng)表做一些修改。比如：加buffer，調(diào)整單元大小(size)等。然后，可以提取電阻和電容的值RC（resistances、capacitance），把它們保存在一個文件里，一般叫做SPEF（Standard Parasitic Extraction Format）文件。

最后，要用靜態(tài)時序分析（STA）工具做timing sign off。靜態(tài)時序分析（STA）工具會檢查設(shè)計的各條路徑是否符合約束文件里的時序要求，包括建立時間檢查，保持時間檢查，最大電容檢查和過渡時間檢查等（Setup check,Hold check, Max Capacitance check 和 Transition Check）。

設(shè)計約束

3、指定設(shè)計約束

SDC（Synopsys Design Constraints）是一種基于Tcl的格式。SDC文件里的所有命令都遵循Tcl的語法規(guī)則。SDC文件用來告訴EDA工具設(shè)計的意圖，包括時序、面積和功耗等。SDC文件包含以下信息：

?版本（可選）

?單位（可選）

?約束值

?約束對象

?注釋（可選）

SDC文件里不包含加載或鏈接設(shè)計的命令。所以，在讀取SDC文件之前必須先讀取你的設(shè)計。

1、指定SDC版本

如果沒有指定SDC版本，那么版本就取決于讀取SDC文件的EDA工具。為了保證SDC文件在不同工具之間的兼容性，可以在文件開頭用以下命令指定SDC版本：

set sdc_version value

2、指定SDC單位

set_units命令指定SDC文件里的電容，電阻，時間，電壓，電流和功耗等單位。

3、指定設(shè)計約束

用約束命令來指定設(shè)計約束。如果命令太長，可以用反斜杠字符（）把命令分成多行。SDC約束命令有下表這些。

4、指定約束對象

大多數(shù)約束命令都需要設(shè)計對象作為命令參數(shù)。

如果當(dāng)前設(shè)計中有一個名為U1的單元，可以通過命令

[get_cells U1]

找到。下表SDC格式中尋找設(shè)計對象的命令。

同時，可以使用Tcl列表或通配符（？、*）指定多個對象。默認(rèn)情況下，當(dāng)前設(shè)計約束的參考點是頂級設(shè)計。我們可以使用分隔符（/）來約束層次結(jié)構(gòu)化設(shè)計。

5、添加注釋

可以使用＃將注釋添加到SDC文件中。

例如，

# This is an SDC comment line.
create_clock -period 10 [get_ports CLK] ; #comment fragment

6、管理大型項目SDC文件

當(dāng)設(shè)計非常大時，SDC文件可能會得很大。減少SDC文件大小的一種方法是壓縮文件

read_sdc命令自動檢測gzip壓縮文件并解壓縮，然后讀取它們的文件。例如，

read_sdc design.sdc.gz

審核編輯：湯梓紅