聊聊芯片设计有哪些活要做？

芯片设计这个行当，从大的方面讲，主要分模拟和数字两大块，而每大块又分前端和后端，我想大部分同学对这个肯定是非常清楚的，下面就数字电路聊聊芯片设计的一些事情，就是芯片设计有哪些活要做，这并不是全面完整的系统介绍，只是个人的了解和总结， 希望抛砖引玉，也许不全面，不正确，欢迎大家指正和补充。  

说到数字芯片，不能不说FPGA，这种是可编程的数字电路，用法原理也不说了，数字电路设计的目标就是把这些功能做成我们自己专用的ASIC/SoC，这样无论面积、成本或者安全性等都能有保证。  

从流程上讲，数字芯片设计的大致步骤就是系统与功能定义、RTL实现验证、 综合及可测试性设计、ATPG仿真、时序分析到自动布局布线(APR)，直至交付fab的GDS网表。  

这个流程是可以反复迭代的，对于不同类型芯片，如纯数ASIC或混合电路(mix-signal)及系统级芯片(SoC)，每一步的方法和具体实施流程上可能又有所差异。下面就这些基本流程分步谈一些主要问题。  

系统设计主要涉及到功能定义及架构设计、总线架构的配置、模块设计、数据流的分配、时钟的设计等问题。总线包括模块之间，模块与MCU核之间，外部主机和芯片之间通信，或者测试需要等等一系列因素。时钟涉及到数据流的规划、通信接口或内部MCU的时钟约定、工艺条件、功耗等因素。模块需要明确接口和定义。  

在系统级设计上， 特别是很多数模混合电路中或对功耗有特别要求的电路中，还要有电压域的设计，不同模块之间，功能模块和接口之间可能都需要根据工艺条件、功耗要求设置不同的电压。  

无论是时钟，还是电压，都可以通过控制开关来实现功耗的要求，时钟实现比较简单，在大部分电路中都可以实现这种时钟控制。电压控制一般是实现在集成有电源管理芯片的较大规模芯片上，但未来趋势是即使没有电源管理芯片，电压的gating也需要纳入考虑范围。  

在 SoC系统设计上，一个重要的环节是MCU 内核的选型，现在常用的内核一般是ARM、较老的ARM7、ARM9等系列，较新的是三大系列Cortex -A 、R、M，具体的用途不做详细描述，选定好后，根据需要进行设置，一般做硬件的人不需要对它的指令集了解太多，但是需要了解它的总线接口、数据总线、指令总线， 以及存储系统的设计，一般需要安排ROM、 RAM分别作为指令和数据存储器，由于ROM是不可更改的，一般也需要加入flash作为补丁程序写入地，也可能需要外部存储器或者DMA控制器来增加外部存储空间。地址的分配是按照功能需要来进行的，现在有很多工具如synopsys的DesignKits可以产生外部总线代码及进行地址分配。  

第一步完成系统和功能定义后，要实施的就是RTL， RTL是专门描述硬件电路的工具语言，有Verilog和VHDL。RTL的特点就是硬件上的同时触发性，不同于软件的按顺序执行，电路由时序逻辑和组合逻辑组成。时序逻辑在物理构成上就是一些寄存器，这些寄存器受时钟控制，寄存器代表了电路中的数据或控制信号，这些信号受时钟的驱动流动。组合逻辑是不受时钟控制的电路块，组合逻辑顾名思义通过一些信号的组合直接生成一些逻辑结果。  

RTL设计中，一大问题是异步设计问题，异步数据的处理根据不同情况有很多方式，最简单的对异步的电平信号，可以直接在新的时钟域中加2级寄存器来隔离，避免不定态的发生。对于总线的处理或者脉冲的处理，则需要同步模块。同步模快一般是指需要握手信号，就是前一级时钟告诉采样的时钟——信号ok了，采样的第二个时钟再去采样，采好后再告诉前一级时钟，我搞定了~那样前一级时钟就可以换数据或做其他处理。  

有一种情况就是前一级时钟太快，造成第二级来不及传递信号，则需要加入FIFO作为隔离，就是让那些数据先放好，我在慢慢来取。这个FIFO的设计涉及到读写地址的判断，写满或读空都需要作相应处理，读写地址之间的判断只能在其中一个时钟域中进行，这本身又涉及异步信号的处理问题。一般用格雷玛解决，或者有些地方直接可以判断地址高位， 这些方法的目的就是不能让地址在比较的时候不稳定。  

RTL设计中，时钟本身的设计问题也要注意，我们在一个芯片中，尽量把时钟产生电路放在一块，主要是从综合DFT的角度去考虑的，让这些时钟统一管理和约束。时钟的分频、切换也要专门处理，否则容易产生毛刺等事情。  

RTL设计中还有很多需要注意的问题，比如可综合性，还有要考虑到电路的面积，以及响应速度等等，这些问题是RTL coding的基础问题。代码写完后，需要进行的是验证工作，下面谈谈这方面的事情：  

芯片验证一般有这几个层面，一个是RTL级或者Netlist( pre or post PR with SDF )，这个也是一般意义上的芯片验证工作， 一个是FPGA级的，也是RTL，只不过download到FPGA中，借助硬件环境，也可以直接做应用实验。  

芯片验证的工作量在芯片设计中占据了大部分的时间和精力，无论是哪种验证，都需要搭建测试平台(testbench)，验证平台从软件结构上模拟芯片的工作环境。既有清晰的连线结构，也有完成这些测试所需要的非结构性的函数或任务包。测试平台中的被测试芯片是RTL级的，测试向量或者说施加的激励可以是 verilog/VHDL，HDL语言本身就具有比较完善的行为级描述功能，也可以满足绝大部分测试平台的搭建和测试激励的产生，当然我们面对更复杂的设计，或追求更高效率，也可以使用其它被编译器兼容的语言， 如C/C++、SC、SV等等。  

很显然，测试激励是有时间概念的，是按顺序进入和流出芯片的，使用的这些非电路描述语言和功能和软件几乎是没有区别的，所以验证中也越来越多地使用软件的一 些技术， 如面向对象的编程技术、SystemVerilog、 Specman E等。 

无论传统的验证还是最新的验证方法学，都需要追求验证的收敛性，即验证完全是自动化的检测，除非debug， 我们无需通过波形判断测试通过与否。  

验证系统中，使用的一般是存储器的模型加上文本格式的代码文件， 一般实现是直接通过系统读入指令把文件读入到存储器模型中。(有些仿真工具可以直接通过选项导入，类似SDF文件，如工具nscim)。  

仿真器可以直接写出指令执行的log，以用于debug，不过现在有更先进的方式用于复杂SoC验证， 如Codelink工具，能够在原仿真器的基础上，建立起MCU和HDL电路已经软件的关系，通过展示波形和固件(firmware)源码的链接进行更方便的debug。   

审核编辑：刘清