ASIC数字设计：前端设计、验证、后端实现

AsicWonder

发布于 2023-09-01 20:27:51

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发布于 2023-09-01 20:27:51

文章被收录于专栏：数字芯片实验室

前端设计

数字系统设计中有三个重要的设计级别概念：行为级（Behavior Level）、寄存器传输级（Register Transfer Level）和门级（Gate level）。其中，

行为级通过行为级算法描述数字系统；
寄存器传输级通过寄存器之间的数据传输进行电路功能设计，例如有限状态机；
门级按AND、OR、NOT、NAND等等描述，通常不会进行门级设计，门级网表一般是通过逻辑综合的输出。

RTL可以用Verilog或VHDL描述。Verilog是一种用于描述数字系统的硬件描述语言（HDL），例如Latches、Flip-Flops、组合逻辑、时序逻辑等。基本上，你可以使用Verilog来描述任何类型的数字系统。设计通常以自顶向下的方式编写，系统具有层次结构，使得设计和调试更容易。verilog模块的基本框架如下：

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

// Instantiate submodules here

// Your code here

endmodule

模块实例化（module instance）时，需要指定被实例化的模块名称（例如NAND或INV）、实例名称（在当前模块中唯一标识该实例）和端口连接列表。模块端口连接可以按照位置顺序（位置映射）或者名称对应（命名映射）给出。一般推荐使用命名映射，因为可以避免一些错误。

1.按名称进行端口映射：

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

2.按顺序进行端口映射，这种情况下，端口列表的顺序要和被实例化的模块一致：

AND A1(a, b, d);

下面是一个简单的D触发器 Verilog示例代码：

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

数字电路设计分为组合逻辑和时序逻辑两种。

用Verilog编写的代码并不一定都能综合成电路。我们需要保证我们的代码能综合出我们想要的电路。在Verilog中，有些与时间相关的语句是不能综合的。比如，wait, initial, delay等。
在Verilog中，可以用always语句块来建模电平敏感和边沿敏感的电路行为。
用always语句块建模组合电路时，要注意每个输出都要依赖于敏感列表。如果没有完全指定组合电路，可能会综合出锁存器（latch）。

验证

在数字系统设计完成后，要用仿真来验证逻辑功能是否正确。在Verilog中，可以用testbench（测试平台）来检验代码。编写testbench的一些基本原则如下： 1、Testbench要实例化设计的顶层模块，并给它提供输入激励（stimulus）。 2、设计（DUT）的输入激励要用'reg'类型声明。'reg'类型的数据可以在always或initial语句块中改变。 3、设计（DUT）的输出要用'wire'类型声明。'wire'类型的数据不能在always或initial语句块中赋值。 4、always和initial语句块是两种时序控制块，它们是并行执行的。initial语句块的一个例子如下：

module testbench;
  // 定义clk和reset信号
  reg clk, reset;
  
  // 定义被测模块的实例
  dut dut_inst(
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    // 其他端口
  );
  
  // 在initial块中生成clk和reset激励
  initial begin
    // 初始化clk和reset为0
    clk = 0;
    reset = 0;
    
    // 等待一段时间后释放reset
    #10 reset = 1;
    
    // 每隔5个时间单位切换clk的值
    forever #5 clk = ~clk;
  end
  
endmodule

initial语句块在仿真开始时（时间为0）按照“begin end”之间的语句顺序执行。遇到延迟时，该语句块暂停执行，等待延迟结束后继续执行。上面的代码是一个比较典型的复位和时钟激励生成的代码。

5、系统任务。这些系统任务不会被综合工具识别，所以可以在设计代码中使用它们。系统任务以符号开头。一些常用的系统任务如下：display：在仿真过程中，在屏幕上显示文本信息stop：暂停仿真。finish：结束仿真dumpvar，dumpfile：生成波形文件，保存到指定的文件中。

6、tasks用于实现常用的验证功能。tasks可以有输入，输出，并且可以包含时序控制。下面是一个task的例子：

// 定义一个带有时序延迟的task
task delay_task;
  input [7:0] data; // 输入数据
  input [3:0] delay; // 输入延迟时间
  output [7:0] result; // 输出结果
  reg [7:0] result; // 定义寄存器存储结果
  begin
    #delay result = data; // 延迟赋值
    $display("data = %b, delay = %d, result = %b", data, delay, result); // 打印结果
  end
endtask

// 定义一个模块调用task
module test;
  reg [7:0] data; // 定义数据信号
  reg [3:0] delay; // 定义延迟信号
  wire [7:0] result; // 定义结果信号
  
  initial begin
    data = 8'b10101010; // 初始化数据
    delay = 4'd10; // 初始化延迟
    delay_task(data, delay, result); // 调用task
    #20 $finish; // 结束仿真
  end
  
endmodule

上面的代码的功能是定义一个带有时序延迟的task，然后在一个模块中调用它。

7、编译指令`timescale设置时间单位和时间精度

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

8、 Verilog测试平台可以使用包含C语言描述的编程语言接口（PLI）。

9、在编写testbench之前，了解设计规范（spec），并且创建所有可能的测试用例列表非常重要。

10、可以根据波形检查信号值是否正确。

11、在编写testbench时，可以设置断点，也可以单步执行。

12、进行功能仿真时，最好进行受约束的随机仿真。受约束的随机仿真可以提供有效输入的随机组合。当随机仿真运行很长时间时，它可以覆盖大部分的corner cases。在verilog中，可以使用$random在testbench中创建随机变量。

13、覆盖率统计：观察存在多少种可能性以及有多少种可能性已经通过仿真。

13.1、行覆盖率：代码中的行仿真覆盖百分比，由仿真工具统计。

13.2、条件覆盖：它检查代码中的各种条件语句覆盖百分比。

13.3、状态机覆盖率：检查状态转换覆盖百分比。

14、回归测试（Regression）：将新的模块添加到已验证的代码中。回归测试是一种验证方法，用于确保修改或更新后的代码不会影响原有的功能和性能。

仿真目标

功能正确：通过验证来验证设计的功能，主要的test cases（主要功能）和corner cases（特殊条件下）。功能正确是仿真的基本要求，确保设计符合规范和预期。例如，可以使用assertions来检查设计的输出是否与预期相符。
设计的错误处理：通过验证来检测设计中可能存在的错误或异常情况，并测试设计如何应对或恢复。设计的错误处理是仿真的重要目标，提高了设计的可靠性和安全性。例如，可以使用fault injection来模拟设计中可能发生的故障，并观察设计的反应和行为。
性能：通过验证来评估设计的性能指标，如时延，吞吐量，功耗等，并与设计目标进行比较。性能是仿真的重要目标，影响了设计的效率和优化。例如，可以使用profiling tools来分析设计中各个部分的资源占用和执行时间，并找出性能瓶颈和改进点。

真实世界仿真

在软件的功能仿真之后，如何在真实世界中仿真你的设计呢？

FPGA原型：加快验证速度。
硬件加速器：将一些可综合的代码映射到FPGA上。其他不可综合的部分，如testbench用仿真工具驱动。当设计非常大时，这种硬件加速验证方法能大幅度提高验证效率。

后端实现

在数字物理设计流程中需要对多个目标进行优化，包括面积，走线长度和功耗，以及需要确保物理实现之后的网表满足设计的时序要求。以下将概述芯片数字后端的基本步骤：

物理设计的第一步是floor planning，定义芯片（die&core）的宽度和高度，也就是芯片的面积。

“core”是芯片的核心区域，用于放置(place)设计的基本逻辑单元。芯片是从晶圆（wafer）上切割出来的，晶圆是一种圆形的硅片，上面可以制造多个芯片(die)。

在布局布线（P&R）阶段，工具会根据约束条件来放置逻辑单元。在正式进行P&R之前，需要先确定一些关键模块的位置，例如RAM，ROM等。这些模块被称为“预放置单元（preplaced cells）”。

将关键模块摆放之后，围绕关键模块摆放Decap（decoupling capacitors）,提高了芯片的可靠性和效率。

在电路原理图中，我们通常只看到一个“Vdd”和一个’Vss’，表示电源和地。但是，在芯片上，我们需要构建一个电源网络，将电源和地分布到各个模块。在floorplan阶段，我们还需要放置引脚（pin）或焊盘（pad），用于与外部设备连接。引脚是模块级别的接口，焊盘是芯片级别的接口。

在floorplan确定（freeze）后，就可以开始布局布线（P&R）了。P&R工具的输入包括综合后的门级网表，时序库，物理库和设计约束。P&R工具根据设计约束（constraints），例如时钟频率，时序裕度（margin），最大电容等，用算法来确定标准单元（Flipflops，AND，OR，BUFFER等）的位置，并把它们放在core里。

假设时钟网络的最大电容限制是2F。看看上面的图，时钟节点’B’连着4个触发器的’clk’脚。假设每个触发器的’clk’脚的电容是1F。那么，PNR工具就会算出节点’B’的总电容是4F。然后它会把这个电容和约束文件里的最大电容2F比较。

因为节点’B’的电容超过了2F，工具就会用2个buffer把节点’B’的负载分开，就像图上那样。它从库里选buffer（假设每个buffer的输入电容是1F），并建一个树（时钟树），来满足设计的最大电容约束。这个过程叫做’时钟树综合（Clock tree synthesis）'。

最后，物理设计完成后，PNR工具会对原来的网表做一些修改。比如：加buffer，调整单元大小(size)等。然后，可以提取电阻和电容的值RC（resistances、capacitance），把它们保存在一个文件里，一般叫做SPEF（Standard Parasitic Extraction Format）文件。

最后，要用静态时序分析（STA）工具做timing sign off。静态时序分析（STA）工具会检查设计的各条路径是否符合约束文件里的时序要求，包括建立时间检查，保持时间检查，最大电容检查和过渡时间检查等（Setup check,Hold check, Max Capacitance check 和 Transition Check）。