SoC design method and implementation Wei Jizeng Electronic Industry Press 9787121441011 Textbooks for colleges and technical secondary schools

本书是普通高等教育“十一五”规划教材、普通高等教育精品教材。本书结合SoC设计的整体流程，对SoC设计方法学及如何实行了全面介绍。全书共15章，主要内括：SoC设计绪论、SoC设计流程、SoC设计与EDA工具、SoC系统架构设计、IP复用的设计方法、RIL代码编写指南、同步电路设计及其与异步信号交互的问题、综合策略与静态时序分析方法、S能验证、可测性设计耗设计、后端设计、SoC中数模混合信号IP的设计与集成、I/0环的设计和芯片封装、课程设计与实验。书中不仅融入了很多来自工业界的实践经验，还介绍了SoC设计领域的新成果，可以帮助读者掌握工业化的解决方案，使读者能够及时了解SoC设计方法的展。

第1章 SoC设计绪论 pan>

1．1 微电子技术概述 pan>

1．1．1 集成电路的发展 pan>

1．1．2 集成电路产业分工 2

1．2 SoC概述 3

1．2．1 什么是SoC 3

1．2．2 SoC的优势 4

1．3 SoC设计的发展趋势及

面临的挑战 5

1．3．1 SoC设计技术的

发展与挑战 5

1．3．2 SoC设计方法的

发展与挑战 9

1．3．3 未来的SoC 10

本章参考文献 10

第2章 SoC设计流程 1pan>

2．1 软硬件协同设计 1pan>

2．2 基于标准单元的SoC

芯片设计流程 13

2．3 基于FPGA的SoC设计流程 17

2．3．1 FPGA的结构 17

2．3．2 基于FPGA的设计流程 2pan>

本章参考文献 24

第3章 SoC设计与EDA工具 25

3．1 电子系统级设计与工具 25

3．2 验证的分类及相关工具 25

3．2．1 验证方法的分类 25

3．2．2 动态验证及相关工具 26

3．2．3 静态验证及相关工具 27

3．3 逻辑综合及综合工具 28

3．3．1 EDA工具的综合流程 28

3．3．2 EDA工具的综合策略 29

3．3．3 优化策略 29

3．3．4 常用的逻辑综合工具 30

3．4 可测性设计与工具 30

3．4．1 测试和验证的区别 30

3．4．2 常用的可测性设计 30

3．5 布局布线与工具 33

3．5．1 EDA工具的布局

布线流程 33

3．5．2 布局布线工具的

发展趋势 33

3．6 物理验证及参数提取与

相关的工具 33

3．6．1 物理验证的分类 33

3．6．2 参数提取 34

3．7 EDA公司与工具介绍 35

3．8 EDA工具的发展趋势 37

本章参考文献 38

第4章 SoC系统架构设计 39

4．1 SoC系统架构设计的

4．1．能设计阶段 40

4．1．2 应用驱动的系统架构

设计阶段 40

4．1．3 基台的系统架构

设计阶段 40

4．2 SoC中常用的处理器 40

4．2．1 通用处理器 4pan>

4．2．2 处理器的选择 43

4．3 SoC中常用线 45

4．3．1 AMB线 46

4．3．2 CoreConnec线 47

4．3．3 Wion线 47

4．3．4 开放核协议（OCP） 48

4．3．5 复杂的片线架构 49

4．4 SoC中典型的存储器 49

4．4．1 存储器分类 50

4．4．2 常用的存储器 5pan>

4．4．3 新型存储器 52

4．5 多核SoC的系统架构设计 53

4．5．1 可用的并发性 53

4．5．2 多核SoC设计中的

系统架构选择 54

4．5．3 多核SoC的性能评价 55

4．5．4 几种典型的多核SoC

系统架构 56

4．6 SoC中的软件架构 59

4．7 电子系统级（ESL）设计 62

4．7．1 ESL发展的背景 62

4．7．2 ESL设计基本概念 63

4．7．3 ESL协同设计的流程 63

4．7．4 ESL设计的特点 64

4．7．5 ESL设计的核心

―事务级建模 66

4．7．6 事务级建模语言简介

及设计实例 7pan>

4．7．7 ESL设计的挑战 78

本章参考文献 79

第5章 IP复用的设计方法 80

5．1 IP的基本概念和IP分类 8pan>

5．2 IP设计流程 82

5．2．1 设计目标 82

5．2．2 设计流程 83

5．3 IP的验证 87

5．4 IP的选择 89

5．5 IP交易模式 89

5．6 IP复用技术面临的挑战 90

5．7 IP标准组织 9pan>

5．8 基台的SoC设计方法 92

5．8．1台的组成与分类 92

5．8．2 基台的SoC

设计流程与特点 93

5．8．3 基台的设计实例 94

本章参考文献 95

第6章 RTL代码编写指南 96

6．1 编写RTL代码之前的准备 96

6．1．1 与团队共同讨论

设计中的问题 96

6．1．2 根据芯片架构准备

设计说明书 96

6．1．3线设计的考虑 97

6．1．4 模块的划分 97

6．1．5 对时钟的处理 100

6．1．6 IP的选择及设计

复用的考虑 100

6．1．7 对可测性的考虑 10pan>

6．1．8 对芯片速度的考虑 10pan>

6．1．9 对布线的考虑 10pan>

6．2 可综合RTL代码编写指南 102

6．2．1 可综合RTL代码的

编写准则 102

6．2．2 利用综行代码

质量检查 105

6．3 调用Synopsys DesignWare

来优化设计 105

本章参考文献 106

第7章 同步电路设计及其与

异步信号交互的问题 107

7．1 同步电路设计 107

7．1．1 同步电路的定义 107

7．1．2 同步电路的时序

收敛问题 107

7．1．3 同步电路设计的

优点与缺陷 108

7．2 全异步电路设计 109

7．2．1 异步电路设计的

基本原理 109

7．2．2 异步电路设计的

优点与缺点 110

7．3 异步信号与同步电路交互的

问题及其解决方法 11pan>

7．3．1 亚稳态 112

7．3．2 异步控制信号的同步

及其RTL实现 114

7．3．3 异步时钟域的数据同步

及其RTL实现 119

7．4 SoC设计中的时钟规划策略 123

本章参考文献 123

第8章 综合策略与静态时序分析方法 124

8．1 逻辑综合 124

8．1．1 流程介绍 124

8．1．2 SoC设计中常用的

综合策略 126

8．2 物理综合的概念 127

8．2．1 物理综合的产生背景 127

8．2．2 操作模式 128

8．3 实例―用Synopsys的工具

Design Compiler

8．3．1 库文件 129

8．3．2 读入设计 130

8．3．3 定义工作环境 130

8．3．4 设置约束条件 13pan>

8．3．5 设定综合优化策略 133

8．3．6 设计脚本举例 133

8．4 静态时序分析 135

8．4．1 基本概念 135

8．4．2 实例―用Synopsys的

工具PrimeTime

8．5 统计静态时序分析 144

8．5．1 传统时序分析的局限 145

8．5．2 统计静态时序

分析的概念 145

8．5．3 统计静态时序

分析的步骤 146

本章参考文献 146

第9章 S能验证 147

9．能验证概述 147

9．1．能验证的概念 147

9．1．2 S能验证的挑战 148

9．1．3 S能验证的

发展趋势 148

9．能验证方法与验证规划 148

9．3 系能验证 150

9．3．1 系统能验证 150

9．3．2 软硬件协同验证 152

9．4 验证自动化 153

9．4．1 激励的生成 154

9．4．2 响应的检查 155

9．4．3 覆盖率的检测 155

9．5 基于断言的验证 156

9．5．1 断言语言 157

9．5．2 基于断言的验证 159

9．5．3 断言的其他用途 160

9．6 通用验证方法学 16pan>

本章参考文献 165

第10章 可测性设计 166

10．1 集成电路测试概述 166

10．1．1 测试的概念和原理 166

10．1．2 测试及测试向量

的分类 166

10．1．3 自动测试设备 167

10．2 故障建模及ATPG原理 167

10．2．1 故障建模的基本概念 167

10．2．2 常见故障模型 168

10．2．3 ATPG基本原理 170

10．2．4 ATPG的工作原理 17pan>

10．2．5 ATPG工具的使用步骤 17pan>

10．3 可测性设计基础 172

10．3．1 可测性的概念 172

10．3．2 可测性设计的

优势和不足 173

10．4 扫描测试（SCAN） 174

10．4．1 基于故障模型的可测性 174

10．4．2 扫描测试的基本概念 174

10．4．3 扫描测试原理 176

10．4．4 扫描设计规则 177

10．4．5 扫描测试的可测性

设计流程及相关

EDA工具 179

10．5 存储器的内建自测 180

10．5．1 存储器测试的必要性 180

10．5．2 存储器测试方法 180

10．5．3 BIST的基本概念 182

10．5．4 存储器的测试算法 182

10．5．5 BIST模块

在设计中的集成 185

10．6 边界扫描测试 186

10．6．1 边界扫描测试原理 187

10．6．2 IEEE 1149．1标准 187

10．6．3 边界扫描测试策略和

相关工具 19pan>

10．7 其他DFT技术 19pan>

10．7．1 微处理器核的

可测性设计 19pan>

10．7．2 Logic BIST 193

10．8 DFT技术在SoC中的应用 194

10．8．1 模块级的DFT技术 194

10．8．2 SoC中的DFT应用 195

本章参考文献 196

第11章耗设计 197

11．1 为什么需耗设计 197

11．耗的类型 198

11．3耗设计方法 2

11．4耗技术 3

11．4．1 静耗技术 3

11．4．2 动耗技术 4

11．4．3 采耗技术的

设计流程 8

11．4．4耗SoC系统的

动态管理 9

11．4．5耗SoC设计技术的

综合考虑 210

11．5耗分析和工具 21pan>

11．6 UPF耗设计实现 212

11．6．1 基于UPF的

11．6．2 U耗描述

文件举例 213

11．7耗设计趋势 213

本章参考文献 214

第12章 后端设计 215

12．1 时钟树综合 215

12．2 布局规划 219

12．3 ECO技术 22pan>

12．耗分析 222

12．5 信号完整性的考虑 224

12．5．1 信号完整性的挑战 224

12．5．2 压降和电迁移 225

12．5．3 信号完整性问题的

、分析和修正 226

12．6 物理验证 227

12．7 可制造性设计/面向良率

的设计 228

12．7．1 DFM/DFY的

基本概念 228

12．7．2 可制造性设计

驱动的方法 229

12．7．3 分辨率技术提高

DFM/DFY的方法 230

12．7．4 其他DFM/DFY问题

及解决方法 23pan>

12．7．5 EDA工具对于DFM/DFY

技术的支持 233

本章参考文献 234

第13章 SoC中数模混合信号IP的

设计与集成 235

13．1 SoC中的数模混合信号IP 235

13．2 数模混合信号IP的设计流程 235

13．3 基于SoC复用的数模

混合信号（AMS）I 236

13．4 数模混合信号（AMS）IP的

设计及集成要点 237

13．4．1 接口信号 237

13．4．2 模拟与数字部分的

整体布局 237

13．4．3 转换器的设计 238

13．4．4 电源的布局与规划 239

13．4．5 电源/地线上跳动

噪声的消除 240

本章参考文献 24pan>

第14章 I/O环的设计和芯片封装 242

14．1 I/O单元介绍 242

14．2 高速I/O的噪声影响 242

14．3 静电保护 243

14．3．1 ESD的模型及相应的

测试方法 244

14．3．2 ESD保护电路的设计 246

14．4 I/O环的设计 249

14．4．1 考虑对芯片的尺的

影响 249

14．4．2 考虑对芯片封装的

影响 250

14．4．3 考虑对噪声的影响 25pan>

14．4．4 考虑对芯片ESD的

影响 252

14．5 SoC芯片封装 252

14．5．1 芯片封能 252

14．5．2 芯片封装的发展趋势 252

14．5．3 常见的封装技术 253

14．5．4 3D IC技术 255

14．5．5 芯片封装的选择 256

本章参考文献 257

第15章 课程设计与实验 258

15．1 基于ESL设计方法的

Motion-JPEG

解码器设计 258

15．1．1 实验内容 258

15．1．2 实验准备工作 259

15．1．3 SoCLib ESL台

及MJPEG解码

流程的介绍 26pan>

15．1．4 实验1 构建基于

SoCLib的单核SoC 262

15．1．5 实验2 构建基于

SoCLib的MPSoC 269

15．1．6 实验3 系统软件开发

―嵌入式操作系统及

设备驱动设计 275

15．1．7 实验4 面向MJPEG

解码的MPSoC

系统优化 276

15．2 基于RISC-V的SoC设计与验证 277

15．2．1 实验内容 278

15．2．2 实验准备工作 278

15．2．3 Ariane SoC架构简介 28pan>

15．2．4 实验1 Ariane SoC的

集成 284

15．2．5 实验2 Ariane SoC

软硬件调试 289

15．2．6 实验3 面向特定应用的

SoC设计和实现 29pan>

15．3 项度管理 30pan>

15．3．1 项目任务度阶段 30pan>

15．3．2度的管理 302

本章参考文献 307

第1章SoC设计绪论1.1微电子技术概述1.1.1集成电路的发展当1947年12月世界上个晶体管在贝尔（Bell）实验室诞生的时候，没有人想象得出这样一个不起眼的元件，会怎样令人难以置信地改变这个世界。但很快，人们渐渐地察觉到：在晶体管发明后的不到5年的时间里，即在1952年5月，英国的达默就在美国工程师协会举办的座谈会上次提到了集成电路(IC，IntegratedCircuit)的设想。他说：“可以想象，随着晶体管和半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不需要外部的连接线。这块电路将由绝缘层、导体和具有整流放大作用的半导体等材料组成”，这就是早的集成电路概念。通常所说的“芯片”是指集成电路，它是微电子产业的主要产品。微电子技术是现代信息技术的基础，日常所接触的电子产品括通信系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术、数字家电等，都是在微电子技术的基础上发展起来的。因此可以说，半导体已经成为信息时代的标志和基础。回顾全球集成电路发展的路程，基本上可结出6个阶段。阶段：1962年制造含12个晶体管的小规模集成电路（SSI,Small-Scale Integration）。第二阶段：1966年发展到集成度为100~1000个晶体管的中规模集成电路（MSI,Medium-ScaleIntegration)。第三阶段：1967～1973年，研制出1千～10万个晶体管的大规模集成电路（LSI,Large-ScaleIntegration)。第四阶段：1977年研制出在3方毫米的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路(VLSI，Very Large-Scale Integration)。这是电子技术的第4次重大突破，从此真正迈入了微电子时代。第五阶段：1993年随着集成了1000万个晶体管的16MBFLASH和256MBDRAM的研入了特大规模集成电路（ULSI,Ultra Large-Scale Integration）时代。第六阶段：1994年由于集成1亿个元件的1GBDRAM的研入巨大规模集成电路（GSI，Giga Scale Integration）时代。从集成度上看，几十年来集成电路的发展基本遵循着摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月增加1倍。从集成电路的类型和制造工艺尺两个方面看，已经了摩尔定律。图1-1所示为05年国际半导体技术蓝图（ITRS,05 International Technology Roadmap forSemiconductors)中提出的摩尔定律及其延伸的概念。可以清楚地看出，一方面，集成电路的类型正在向多样化发展（More than Moore)，从单一的数字电路到模拟电路、射频电路、无源器件、高压电路、传感器、生物芯片等，与人和环境的能越来越强；另一方面，在集成电路制造工艺尺不断缩小（More Moore）的同时也超出了单一的CMOS工艺（Beyond CMOS），使得集成电路的信息处理量不断提高，系统的集成度越来越高，系统级芯片(SoC，System on Chip)、系统级封装(SiP，System-in-Package）也逐步代替了能的集成电路，发展能更强大、具有更高应用价值的系统。

随着CMOS晶体管越来越物理极限，摩尔定律瓶颈。但新型器件及3DIC封装的出现，摩尔定律瓶颈的僵局将被打破，摩尔定律也将会在更广的层面上得以延伸。与此同时，微电子技术必将通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，从根本上改变人类的生活。

1.1.2集成电路产业分工

微电子技术的迅速发展得益于集成电路产业内部的细致分工。目前，集成电路产业链主括设计、制造、封装和测试，如图1-2所示。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了3次重大变革。

1.以生产为导向的初级阶段确切地说，世纪60年代的集成电路产业就是半导体产业，这一时期半导造在IC产业中充当主要角色，IC设计只作为其附属部门而存在。当时的厂家没有专业分工，所掌握的技术十分全面，典型的代表就是仙童(Fairchild）公司，它们不但生产晶体管、集成电路，就连生产所需的设备都自己制造。到了世纪70年代，半导体工艺设备和集成电路辅助设计工具成为相互独立的产业，两者以其精湛的专业技术为IC厂家提供高质量的设备，使得IC厂家可以有更多的精力用于……

魏继增，天津大学智能与计算学部副教授。多年来以微处理器设计这一“卡脖子”问题为抓手，围绕系统能力培养，改革教学内容。已出版教材3部，主持多项产学研合作项目和教改项目。多次率队参加全国系统能力培养大赛并获奖。曾获第四届中国开源软件大赛实践教学、天津大学项目制课程、天津大学优秀教材和、天津大学“教书育人”工作者和优秀青年教师等荣誉称号。