具体描述
| 图书基本信息 |
| 图书名称 | 电子设计自动化项目教程 | 作者 | 舒伟红 |
| 定价 | 29.00元 | 出版社 | 科学出版社 |
| ISBN | 9787030273369 | 出版日期 | |
| 字数 | | 页码 | |
| 版次 | 1 | 装帧 | |
| 开本 | | 商品重量 | 0.459Kg |
电子设计自动化(EDA)项目教程 前言 电子设计自动化(EDA)已经成为现代集成电路(IC)设计不可或缺的基石。从概念的萌芽到最终芯片的制造,EDA工具链贯穿了整个流程,极大地提高了设计效率、可靠性和复杂性。本书旨在为读者提供一个全面而深入的EDA项目实战指南,通过一系列精心设计的项目,引导读者掌握EDA的核心技术和实际应用。我们希望通过本书,能够激发读者在EDA领域的学习热情,培养他们独立解决实际设计问题的能力,为未来在集成电路设计、半导体行业等领域的发展打下坚实的基础。 第一章:EDA技术概述与项目导入 1.1 EDA技术的发展历程与重要性 早期手工设计到自动化: 回顾电子设计从最初的绘图板、导线连接到晶体管、集成电路出现后,手工绘制复杂电路图的艰辛,以及EDA工具如何彻底改变这一局面。 EDA在现代设计中的作用: 强调EDA工具如何实现逻辑综合、物理综合、布局布线、验证等关键环节,使得百亿晶体管级别的复杂SoC(System-on-Chip)设计成为可能。 EDA的产业生态: 介绍主要的EDA厂商(如Cadence, Synopsys, Siemens EDA等)以及它们提供的EDA工具分类(如前端设计工具、后端设计工具、验证工具、仿真器等)。 EDA的发展趋势: 探讨人工智能(AI)、机器学习在EDA中的应用,如智能布局布线、功耗优化、时序收敛等;以及云端EDA、面向特定应用的EDA工具等。 1.2 本书的整体架构与学习路径 从基础到进阶: 说明本书将遵循由浅入深的学习逻辑,从基础的EDA概念和工具使用,逐步过渡到复杂的项目设计和验证。 项目驱动式学习: 强调本书的核心特色是通过实际项目来学习,让读者在解决具体问题的过程中掌握理论知识和工具技能。 配套资源说明: 介绍本书可能提供的配套资源,如示例代码、设计文件、工具安装指南、论坛支持等,并说明如何有效利用这些资源。 预期学习成果: 阐述读者通过学习本书,将能够独立完成一个完整的数字IC设计流程,并具备基本的芯片验证和调试能力。 1.3 项目环境搭建与工具入门 开发平台选择: 介绍常用的EDA工具集,并建议读者选择一套易于上手且功能强大的工具进行实践。例如,可能包含: 逻辑综合工具: 如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus。 物理设计工具: 如Synopsys IC Compiler/Fusion Compiler, Cadence Innovus。 仿真器: 如Synopsys VCS, Cadence Xcelium, ModelSim/QuestaSim。 验证工具: 如SystemVerilog, UVM。 逻辑编辑器/原理图工具: (如果项目涉及模拟部分,可能需要) 脚本语言: Tcl/Tk (用于自动化脚本), Python (用于更高级的流程控制)。 软件安装与配置: 提供详细的安装步骤指南,包括操作系统要求、许可配置、环境变量设置等,确保读者能够顺利搭建工作环境。 基本工具操作演示: 演示EDA工具的基本界面操作,如打开项目、加载设计文件、运行命令、查看报告等,为后续的项目实践打下基础。 版本控制系统(可选): 介绍Git等版本控制系统在项目管理中的重要性,并指导读者如何使用其进行代码管理和协作。 第二章:数字逻辑设计基础与Verilog HDL项目实践 2.1 数字逻辑基础回顾 基本逻辑门: AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR gates。 组合逻辑: 加法器、减法器、多路选择器、译码器、编码器等。 时序逻辑: 触发器(D触发器、JK触发器、T触发器)、寄存器、计数器、状态机。 时序逻辑设计原则: 时钟信号、建立时间(setup time)、保持时间(hold time)、时钟域交叉(clock domain crossing)问题。 2.2 Verilog HDL语言入门 Verilog简介: 介绍Verilog作为一种硬件描述语言(HDL)的特点和优势。 基本语法: 模块(module)、端口(port)、信号(wire, reg)、赋值(assign, procedural)、实例化。 数据类型与操作符: bit-select, part-select, concatenation, arithmetic operators, logical operators, relational operators, equality operators。 行为级建模: `always`块(`always @(posedge clk)`, `always @()`)、`if-else`, `case`, `for`, `while`语句。 数据流建模: `assign`语句。 结构级建模: 门级实例化。 2.3 项目一:简单的 ALU 设计与仿真 项目目标: 设计一个具有基本算术和逻辑运算功能的ALU(Arithmetic Logic Unit),并通过仿真验证其正确性。 需求分析: 确定ALU支持的运算类型(如加、减、AND、OR、XOR、NOT等),输入输出端口定义。 Verilog模块设计: 使用行为级建模实现ALU的功能。 区分组合逻辑和时序逻辑部分。 考虑操作码(opcode)的设计,用于选择不同的运算。 Testbench编写: 创建Testbench模块,用于驱动ALU进行测试。 编写激励信号,覆盖所有支持的运算。 使用`$display`, `$monitor`, `$finish`等系统任务进行输出和控制。 仿真运行与结果分析: 使用仿真工具(如ModelSim/QuestaSim, VCS, Xcelium)运行Testbench。 分析仿真波形,验证ALU的输出是否与预期一致。 学习调试技巧,如设置断点、观察信号值。 第三章:综合与逻辑优化 3.1 逻辑综合的概念与目标 综合过程: 将HDL代码转化为门级网表(netlist)的过程。 综合的目标: 面积(Area): 最小化设计的逻辑门数量。 时序(Timing): 满足设计要求的时钟频率(时钟周期),即最大化设计性能。 功耗(Power): 最小化设计的动态功耗和静态功耗。 可测试性(Testability): 确保设计易于进行可测性设计(DFT)和可测试性分析(ATPG)。 约束(Constraints): 介绍时序约束(如时钟频率、输入输出延迟)、面积约束、功耗约束等对综合过程的影响。 3.2 综合工具的使用与设置 DC/Genus入门: 介绍Synopsys Design Compiler (DC) 或 Cadence Genus 的基本命令行界面或GUI操作。 读入设计与库: 加载HDL代码和标准单元库(standard cell library)。 约束文件编写: 学习编写.sdc (Synopsys Design Constraints) 或 .lib (Library Exchange Format) 文件,定义时钟、IO约束等。 综合命令: `read_verilog`, `read_library`, `create_clock`, `set_input_delay`, `set_output_delay`, `set_max_area`, `compile_ultra` 等。 报告分析: `report_area`, `report_timing`, `report_power`等。 3.3 项目二:状态机综合与优化 项目目标: 对一个状态机(如交通灯控制器、序列检测器)进行HDL描述,并使用综合工具进行优化,达到预设的时序和面积目标。 状态机设计: 选择一个合适的状态机作为设计对象(例如,一个简单的交通灯控制器,具有红、黄、绿灯的切换逻辑,并考虑行人过马路信号)。 使用Verilog HDL描述状态机的状态转移和输出逻辑。 考虑状态编码(如二进制编码、格雷码编码)对面积和速度的影响。 综合流程: 设置综合目标,例如目标时钟频率(如100MHz)。 编写约束文件,定义时钟和输入输出端口延迟。 运行综合命令,生成优化后的门级网表。 结果分析与优化: 查看综合报告,分析设计的面积、时序和功耗。 根据报告中的时序违例(timing violations)或过大的面积,调整HDL代码或约束文件。 学习综合选项,如`-area_effort`, `-timing_effort`等,尝试不同的综合策略。 迭代优化,直到满足设计要求。 第四章:时序分析与静态时序分析(STA) 4.1 时序分析基础 时序模型: 建立时间和保持时间(setup and hold times)、时钟周期(clock period)、传播延迟(propagation delay)。 组合逻辑延迟: 信号从输入传播到输出所需的时间。 寄存器到寄存器路径: 一个触发器的输出经过组合逻辑到达另一个触发器的输入所需的时间。 时序路径: 介绍数据路径(data path)、时钟路径(clock path)、起点(start point)和终点(end point)。 时序违例: Setup time violation, Hold time violation。 4.2 静态时序分析(STA)工具的使用 STA的原理: 在不进行仿真的情况下,通过分析所有可能的时序路径来检查设计是否满足时序要求。 STA工具入门: 介绍PrimeTime (Synopsys) 或 Tempus (Cadence) 等STA工具的基本用法。 约束文件的重要性: 强调STA严重依赖准确的时序约束。 STA运行流程: 读入网表和库文件。 加载时序约束(.sdc文件)。 运行STA命令(如`report_timing`)。 STA报告解读: Worst Negative Slack (WNS): 最差时序违例值。 Total Negative Slack (TNS): 所有时序违例的总和。 Critical Path Analysis: 分析最关键的时序路径。 Setup/Hold Violations: 详细列出所有setup和hold违例。 时序修复方法: 逻辑优化: 通过重新综合或调整综合选项。 微调: 插入缓冲器(buffer)、寄存器。 物理实现: 考虑布局布线对时序的影响(将在下一章详述)。 4.3 项目三:对已综合网表进行STA分析与初步修复 项目目标: 对前一个项目(如状态机)综合后生成的门级网表进行STA分析,找出时序瓶颈,并尝试一些初步的修复措施。 步骤: 使用综合工具生成的网表文件。 加载标准单元库和IO库。 编写详细的STA时序约束文件,包括时钟定义、时钟频率、输入输出端口的期望延迟。 运行STA工具,生成详细的时序报告。 结果分析与诊断: 仔细分析STA报告,找出WNS和TNS值,以及导致违例的关键路径。 识别setup和hold时间违例的具体原因(如组合逻辑过长、寄存器到寄存器路径延迟大)。 初步修复尝试: 基于报告的逻辑调整: 如果发现某些模块的组合逻辑过于复杂,可能需要修改HDL代码,尝试将长组合逻辑拆分。 约束调整: 在某些情况下,如果对时序的要求过于严格,可以考虑适度放宽约束,但需谨慎。 使用综合工具的优化选项: 重新运行综合,并利用更强的优化选项,或指定更优的库。 (进阶) 讲解如何与物理设计流程结合,将STA中的信息反馈给物理设计,指导布局布线。 第五章:物理设计基础:布局与布线 5.1 物理设计概述 物理设计的目标: 将逻辑网表转化为可在晶圆厂制造的GDSII文件。 物理设计流程: 布局(Placement)、时钟树综合(Clock Tree Synthesis, CTS)、布线(Routing)、物理验证(Physical Verification)。 工艺相关性: 介绍标准单元库、版图规则(DRC)、设计规则检查(ERC)、设计可制造性(DFM)。 物理设计工具: Synopsys IC Compiler/Fusion Compiler, Cadence Innovus。 5.2 布局(Placement) 布局的目标: 将标准单元放置在芯片区域内,以优化面积、时序和功耗。 布局阶段: 粗略布局(Global Placement): 确定单元的大致位置。 详细布局(Detailed Placement): 精确确定单元的最终位置。 电源/地网格规划(Power/Ground Network Planning): 规划供电和接地网络。 宏单元放置(Macro Placement): 放置RAM, ROM, IP核等大型模块。 布局的挑战: 解决布线拥塞(congestion)、优化时序路径。 5.3 时钟树综合(CTS) 时钟树的必要性: 确保时钟信号以最小的偏差(skew)和偏差(jitter)到达所有寄存器的时钟引脚。 CTS过程: 构建一个低延迟、低偏差的时钟分配网络。 缓冲器与反相器: CTS中使用的基本单元。 时钟缓冲器(Clock Buffers)、时钟门控(Clock Gating): 介绍其对功耗和时序的影响。 5.4 布线(Routing) 布线的目标: 连接布局好的单元之间的信号线。 布线类型: 全局布线(Global Routing): 确定信号线经过的通道。 详细布线(Detailed Routing): 在具体金属层上连接信号线。 布线的挑战: 解决布线拥塞、时序收敛、信号完整性(SI)问题。 多金属层布线: 介绍不同金属层的功能和布线规则。 5.5 项目四:物理设计流程入门 项目目标: 将经过综合的网表导入物理设计工具,执行基本的布局、CTS和布线流程,生成可用于物理验证的GDSII文件。 准备工作: 获取标准单元库和IO库的物理信息 (.tlef, .v, .lib, .gds)。 准备版图约束文件(.sdc, .tcl)。 导入与约束: 将网表导入物理设计工具。 定义版图区域、电源/地网格。 设置时钟和IO约束。 执行布局: 运行布局命令,观察单元的放置情况。 检查布线拥塞报告。 执行CTS: 运行CTS命令,生成时钟树。 分析时钟偏差。 执行布线: 运行布线命令,连接信号线。 检查布线完成率和拥塞报告。 结果查看与初步分析: 在版图编辑器中查看布局布线后的结果。 了解如何查看布线拥塞图、时钟树结构等。 (本阶段不要求达到 STA 修复目标,重点在于熟悉流程) 第六章:物理验证与设计规则检查 6.1 物理验证的概念与重要性 物理验证的必要性: 确保设计的物理版图符合晶圆厂的制造工艺规则,避免制造缺陷。 物理验证的两个主要方面: 设计规则检查(DRC): 检查版图是否满足工艺的几何规则(如线宽、线距、孔的大小和间距等)。 版图与原理图一致性检查(LVS): 确保提取出的版图网表与原始的逻辑网表完全一致。 6.2 设计规则检查(DRC) DRC的原理: 使用专门的DRC检查器(如Calibre, Pegasus)根据厂商提供的DRC规则文件(.rul/.rcx)对版图进行扫描。 DRC报告: 列出所有违反DRC规则的地方,包括违规类型和位置。 DRC修复: 手动或半自动地修改版图以消除DRC违例。 6.3 版图与原理图一致性检查(LVS) LVS的原理: 从版图中提取出实际的网络连接信息(网表),并与原始设计网表进行比对。 LVS工具: 同样使用Calibre, Pegasus等。 LVS报告: 指出原理图与版图网表不一致的地方,可能包括端口不匹配、连接丢失、多余连接等。 LVS修复: 主要通过修改版图实现,有时也可能需要调整设计文件。 6.4 项目五:物理验证与GDSII生成 项目目标: 对物理设计完成的版图进行DRC和LVS检查,确保其符合制造要求,并最终生成用于流片的GDSII文件。 准备工作: 物理设计工具生成的版图文件。 厂商提供的DRC和LVS规则文件。 执行DRC: 将版图文件和DRC规则文件导入DRC检查工具。 运行DRC检查。 分析DRC报告,识别并修复违例。(需要详细讲解几种常见的DRC违例及其修复方法) 执行LVS: 将版图文件、原理图网表和LVS规则文件导入LVS检查工具。 运行LVS检查。 分析LVS报告,识别并修复不一致性。(需要详细讲解几种常见的LVS不一致性及其修复方法) 最终GDSII生成: 在DRC和LVS均通过后,使用物理设计工具将最终的版图导出为GDSII文件。 (可选) 讲解如何在GDSII文件中添加相关的元数据信息。 第七章:验证方法学与SystemVerilog/UVM入门 7.1 数字电路验证的重要性 “Bug”的代价: 强调芯片流片失败的巨大经济损失和时间成本。 验证与仿真的区别: 仿真检查设计的行为,验证确保设计满足所有规格要求。 验证的挑战: 状态空间爆炸、复杂交互、长验证周期。 7.2 验证方法学概述 前向迁移(Forward Migration) vs. 后向迁移(Backward Migration)。 验证的层级: 单元级、集成级、系统级。 验证的流程: 需求分析、验证计划、验证环境搭建、测试用例编写、仿真执行、覆盖率收集与分析。 7.3 SystemVerilog for Verification SystemVerilog简介: 介绍SystemVerilog作为一种高级HDL,在验证领域的强大功能。 关键验证特性: 数据类型: `logic`, `bit`, `byte`, `int`, `longint`, `string`, `enum`, `struct`, `union`。 过程块: `always_comb`, `always_ff`, `always_latch`。 接口(Interface): 简化信号连接。 类(Class)与面向对象编程(OOP): 验证环境的基础。 约束随机化(Constrained Randomization): 自动生成大量有意义的测试激励。 断言(Assertions): 描述时序属性,用于实时检查。 覆盖率(Coverage): 衡量验证的完备性。 7.4 验证方法学框架:UVM(Universal Verification Methodology) UVM简介: 介绍UVM作为一种通用的、标准化的验证方法学。 UVM的组件: 环境(Environment): 包含所有验证组件。 代理(Agent): 负责与 DUT 交互,包含 Sequencer, Driver, Monitor。 Sequencer: 生成事务(transaction)。 Driver: 将事务转换为 DUT 可理解的信号。 Monitor: 捕捉 DUT 的行为,转换为事务。 Scoreboard: 比较 DUT 的实际输出与预期输出。 Reference Model: DUT 的行为模型。 Register Model: 管理 DUT 的寄存器。 UVM的优势: 可重用性、可维护性、标准化。 7.5 项目六:基于SystemVerilog/UVM的验证环境搭建 项目目标: 为前面项目中的某个数字模块(如ALU或状态机)搭建一个基本的SystemVerilog/UVM验证环境,并编写一些测试用例。 DUT选择: 选择一个已完成综合和仿真的数字模块作为 DUT (Design Under Test)。 验证计划: 定义 DUT 的功能需求。 列出需要验证的特性。 确定测试用例的策略(如功能测试、边界值测试、随机测试)。 搭建UVM验证环境: 创建 UVM test, environment, agent, driver, monitor, sequencer。 定义 transaction 类,包含 DUT 的输入输出信息。 在 driver 中实现将 transaction 转换为 DUT 信号的逻辑。 在 monitor 中实现将 DUT 信号转换为 transaction 的逻辑。 在 sequencer 中实现生成 test case 的逻辑,可能包含简单的约束随机化。 编写测试用例: 创建不同的 `uvm_test` 类,分别实现不同的测试场景。 例如,一个测试用例专注于 ALU 的加法运算,另一个专注于状态机的所有状态转移。 仿真与结果分析: 运行 Testbench。 观察仿真波形。 学习如何使用 UVM 的 `uvm_info`、`uvm_warning`、`uvm_error` 进行输出。 (可选) 引入 Scoreboard 进行简单的比对。 (可选) 引入断言(assertions)来检查 DUT 的特定行为。 (可选) 收集基本的覆盖率报告。 第八章:高级EDA技术与项目展望 8.1 低功耗设计(Low Power Design) 功耗分析: 动态功耗、静态功耗。 低功耗技术: 时钟门控(Clock Gating)。 电源门控(Power Gating)。 动态电压频率调整(DVFS)。 多电压域(Multi-Voltage Domains)。 低功耗设计工具与流程: 介绍 UPF/CPF (Unified Power Format/Common Power Format)。 8.2 可靠性设计(Reliability Design) 可靠性问题: 制造缺陷、工作环境影响(温度、电压)、老化效应。 可靠性设计技术: 错误检测与纠正(EDAC) 冗余设计(Redundancy)。 故障注入(Fault Injection) 抗辐射设计(Radiation Hardening)。 8.3 FPGA与ASIC设计流程的对比 FPGA(Field-Programmable Gate Array): 介绍其可编程性、快速原型验证、中低端产品应用。 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit): 介绍其高性能、低功耗、高成本、适用于大规模量产。 两者在EDA工具和流程上的区别。 8.4 复杂SoC设计实例探讨(理论性介绍) 系统集成: 介绍如何将多个IP核(如CPU, GPU, Memory Controller, Peripherals)集成到一个SoC中。 IP核重用: 介绍IP核的标准化和导入流程。 芯片架构设计: 探讨总线架构、互联网络(Network-on-Chip, NoC)等。 软件与硬件协同设计: 介绍软件开发在芯片设计过程中的重要性。 8.5 项目七:开放性设计与创新实践(指导性) 项目目标: 鼓励读者根据自己的兴趣和掌握的知识,设计一个具有一定创新性的EDA项目。 项目选题建议: 设计一个更复杂的数字IP核(如一个简易的DMA控制器、一个图像处理单元)。 搭建更全面的验证环境,实现高级覆盖率收集和更复杂的激励生成。 尝试集成一个第三方的IP核,并进行验证。 研究并实现一个低功耗设计技术(如在简单设计中应用时钟门控)。 (如果可能) 尝试使用低成本FPGA板进行设计实现和功能验证。 项目实施指导: 提供项目规划、技术选型、实现步骤的建议。 强调问题分解、模块化设计、充分验证的重要性。 鼓励读者在遇到问题时,积极查阅文档、搜索资料、寻求帮助。 附录 常用EDA术语表。 EDA工具命令参考。 推荐阅读文献与在线资源。 结语 通过本书的学习,我们希望读者能够掌握电子设计自动化(EDA)领域的核心概念和实践技能。从数字逻辑的HDL描述,到逻辑综合、时序分析,再到物理设计和验证,以及现代验证方法学,本书提供了一个完整的学习路径。EDA技术日新月异,希望本书能够成为读者在这个激动人心的领域中不断探索和创新的起点。愿读者在未来的集成电路设计道路上,能够学以致用,创造出更优秀、更具影响力的电子产品。