聊聊芯片設計有哪些活要做？

芯片設計這個行當，從大的方面講，主要分模擬和數字兩大塊，而每大塊又分前端和后端，我想大部分同學對這個肯定是非常清楚的，下面就數字電路聊聊芯片設計的一些事情，就是芯片設計有哪些活要做，這并不是全面完整的系統介紹，只是個人的了解和總結， 希望拋磚引玉，也許不全面，不正確，歡迎大家指正和補充。

說到數字芯片，不能不說FPGA，這種是可編程的數字電路，用法原理也不說了，數字電路設計的目標就是把這些功能做成我們自己專用的ASIC/SoC，這樣無論面積、成本或者安全性等都能有保證。

從流程上講，數字芯片設計的大致步驟就是系統與功能定義、RTL實現驗證、 綜合及可測試性設計、ATPG仿真、時序分析到自動布局布線(APR)，直至交付fab的GDS網表。

這個流程是可以反復迭代的，對于不同類型芯片，如純數ASIC或混合電路(mix-signal)及系統級芯片(SoC)，每一步的方法和具體實施流程上可能又有所差異。下面就這些基本流程分步談一些主要問題。

系統設計主要涉及到功能定義及架構設計、總線架構的配置、模塊設計、數據流的分配、時鐘的設計等問題?？偩€包括模塊之間，模塊與MCU核之間，外部主機和芯片之間通信，或者測試需要等等一系列因素。時鐘涉及到數據流的規劃、通信接口或內部MCU的時鐘約定、工藝條件、功耗等因素。模塊需要明確接口和定義。

在系統級設計上， 特別是很多數?；旌想娐分谢驅挠刑貏e要求的電路中，還要有電壓域的設計，不同模塊之間，功能模塊和接口之間可能都需要根據工藝條件、功耗要求設置不同的電壓。

無論是時鐘，還是電壓，都可以通過控制開關來實現功耗的要求，時鐘實現比較簡單，在大部分電路中都可以實現這種時鐘控制。電壓控制一般是實現在集成有電源管理芯片的較大規模芯片上，但未來趨勢是即使沒有電源管理芯片，電壓的gating也需要納入考慮范圍。

在 SoC系統設計上，一個重要的環節是MCU 內核的選型，現在常用的內核一般是ARM、較老的ARM7、ARM9等系列，較新的是三大系列Cortex -A 、R、M，具體的用途不做詳細描述，選定好后，根據需要進行設置，一般做硬件的人不需要對它的指令集了解太多，但是需要了解它的總線接口、數據總線、指令總線， 以及存儲系統的設計，一般需要安排ROM、 RAM分別作為指令和數據存儲器，由于ROM是不可更改的，一般也需要加入flash作為補丁程序寫入地，也可能需要外部存儲器或者DMA控制器來增加外部存儲空間。地址的分配是按照功能需要來進行的，現在有很多工具如synopsys的DesignKits可以產生外部總線代碼及進行地址分配。

第一步完成系統和功能定義后，要實施的就是RTL， RTL是專門描述硬件電路的工具語言，有Verilog和VHDL。RTL的特點就是硬件上的同時觸發性，不同于軟件的按順序執行，電路由時序邏輯和組合邏輯組成。時序邏輯在物理構成上就是一些寄存器，這些寄存器受時鐘控制，寄存器代表了電路中的數據或控制信號，這些信號受時鐘的驅動流動。組合邏輯是不受時鐘控制的電路塊，組合邏輯顧名思義通過一些信號的組合直接生成一些邏輯結果。

RTL設計中，一大問題是異步設計問題，異步數據的處理根據不同情況有很多方式，最簡單的對異步的電平信號，可以直接在新的時鐘域中加2級寄存器來隔離，避免不定態的發生。對于總線的處理或者脈沖的處理，則需要同步模塊。同步?？煲话闶侵感枰帐中盘?，就是前一級時鐘告訴采樣的時鐘——信號ok了，采樣的第二個時鐘再去采樣，采好后再告訴前一級時鐘，我搞定了~那樣前一級時鐘就可以換數據或做其他處理。

有一種情況就是前一級時鐘太快，造成第二級來不及傳遞信號，則需要加入FIFO作為隔離，就是讓那些數據先放好，我在慢慢來取。這個FIFO的設計涉及到讀寫地址的判斷，寫滿或讀空都需要作相應處理，讀寫地址之間的判斷只能在其中一個時鐘域中進行，這本身又涉及異步信號的處理問題。一般用格雷瑪解決，或者有些地方直接可以判斷地址高位， 這些方法的目的就是不能讓地址在比較的時候不穩定。

RTL設計中，時鐘本身的設計問題也要注意，我們在一個芯片中，盡量把時鐘產生電路放在一塊，主要是從綜合DFT的角度去考慮的，讓這些時鐘統一管理和約束。時鐘的分頻、切換也要專門處理，否則容易產生毛刺等事情。

RTL設計中還有很多需要注意的問題，比如可綜合性，還有要考慮到電路的面積，以及響應速度等等，這些問題是RTL coding的基礎問題。代碼寫完后，需要進行的是驗證工作，下面談談這方面的事情：

芯片驗證一般有這幾個層面，一個是RTL級或者Netlist( pre or post PR with SDF )，這個也是一般意義上的芯片驗證工作， 一個是FPGA級的，也是RTL，只不過download到FPGA中，借助硬件環境，也可以直接做應用實驗。

芯片驗證的工作量在芯片設計中占據了大部分的時間和精力，無論是哪種驗證，都需要搭建測試平臺(testbench)，驗證平臺從軟件結構上模擬芯片的工作環境。既有清晰的連線結構，也有完成這些測試所需要的非結構性的函數或任務包。測試平臺中的被測試芯片是RTL級的，測試向量或者說施加的激勵可以是 verilog/VHDL，HDL語言本身就具有比較完善的行為級描述功能，也可以滿足絕大部分測試平臺的搭建和測試激勵的產生，當然我們面對更復雜的設計，或追求更高效率，也可以使用其它被編譯器兼容的語言， 如C/C++、SC、SV等等。

很顯然，測試激勵是有時間概念的，是按順序進入和流出芯片的，使用的這些非電路描述語言和功能和軟件幾乎是沒有區別的，所以驗證中也越來越多地使用軟件的一 些技術， 如面向對象的編程技術、SystemVerilog、 Specman E等。

無論傳統的驗證還是最新的驗證方法學，都需要追求驗證的收斂性，即驗證完全是自動化的檢測，除非debug， 我們無需通過波形判斷測試通過與否。

驗證系統中，使用的一般是存儲器的模型加上文本格式的代碼文件， 一般實現是直接通過系統讀入指令把文件讀入到存儲器模型中。(有些仿真工具可以直接通過選項導入，類似SDF文件，如工具nscim)。

仿真器可以直接寫出指令執行的log，以用于debug，不過現在有更先進的方式用于復雜SoC驗證， 如Codelink工具，能夠在原仿真器的基礎上，建立起MCU和HDL電路已經軟件的關系，通過展示波形和固件(firmware)源碼的鏈接進行更方便的debug。

審核編輯：劉清