第七章__系统芯片(SOC)设计修改.ppt

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1、第七章第七章 系统芯片系统芯片(SOC)(SOC)设计设计 程东明问题的提出问题的提出n n克服多芯片板级集成出现的问题,n n提高系统性能,n n而且在减小尺寸、降低成本、降低功耗、易于组装方面有突出优势。SOCSOC的产生的产生n n为了适应市场竞争为了适应市场竞争,需要缩短产品上市时间需要缩短产品上市时间,并不并不断提高性能断提高性能,降低成本降低成本,增强产品竞争力增强产品竞争力,使得使得SOCSOC应运而生应运而生.n n例如例如,将将SOCSOC、存储器和外设集成在单一芯片上可、存储器和外设集成在单一芯片上可以降低一个用户专用标准产品以降低一个用户专用标准产品(CSSP)(CSSP

2、)所需要的各所需要的各部件数目部件数目,从而降低成本，从而降低成本，IBMIBM公司发布的逻辑电公司发布的逻辑电路和存储器集成在一起的一种系统芯片路和存储器集成在一起的一种系统芯片,速度相当速度相当于于PCPC处理速度的处理速度的8 8倍倍,存储容量提高了存储容量提高了2424倍倍,存取速存取速度也提高了度也提高了2424倍倍;ICIC业进一步分工业进一步分工SOC的出现,导致IC业进一步分工,出现了n n系统设计、n nIC设计、n n第三方IP、n n电子设计自动化和加工等多种专业,它们紧密结合,尤其第三方IP供应商的出现可以缩短fabless设计中心和IDM(垂直集成)公司产品上市周期,

3、促进SOC不断发展.系统芯片与集成电路的区别系统芯片与集成电路的区别n n系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的,它是微电子设计领域的一场革命,n nSOC和集成电路的关系与过去集成电路与分立元器件的关系类似。n n对微电子技术的推动作用不亚于自20世纪50年代末快速发展起来的集成电路技术.专家预测,21世纪将是SOC快速发展的时代,SOC将成为市场的主导.SOC设计将成为IC设计业发展的大趋势在业界已达成共识。系统芯片系统芯片n n系统芯片就是将一个系统的多个部分集成在一个芯片，能够完成某种完整电子系统功能的芯片，也称System LSI。n n可以将n n信息获取、n n信

4、息处理、n n信息存储、n n交换甚至执行的功能集成在一起。系统芯片特征系统芯片特征n n系统芯片应具有如下特征:n n含有可实现复杂功能的超大规模集成电路(VLSI)；n n使用了一个或多个嵌入式CPU和DSP;n n采用IP核进行设计；n n采用超深亚微米(VDSM)技术;n n具有可从外部对芯片进行编程的功能.SOCSOC设计的三大支撑技术设计的三大支撑技术n nSOC设计的三大支撑技术包括：n n软硬件协同设计技术、n nIP设计和复用技术、n n超深亚微米(VDSM)设计技术等。n nSOC实现的是软硬件集成的系统,需要建立软硬件协同设计理论和方法;n n而IP是SOC中最重要的概念

5、之一,SOC的很多特点是通过IP设计和IP复用来表现和实现的.Intellectual PropertyIntellectual Property的定义的定义n nIP(Intellectual Property),是指具有知识产权的经过了验证、性能优化、可以被复用的功能模块或子系统。n nIP有时也称n n1P核(core),n nIP模块(module)、n n系统宏单元(macro)n n虚拟部件(VC)IPIP复用复用n nIP复用：n n指对系统中的某些模块直接用现成的IP来实现,不必所有模块都从头设计.采用IP核进行系统设计,可以大大缩短产品设计时间,减小设计风险;超深亚微米技术超

6、深亚微米技术n n超深亚微米技术是SOC的技术基础,集成度的提高可以保证SOC实现的可能性,而VDSM技术会直接影响到布图规划、时延驱动布图、低功耗设计、寄生参数分析与提取、信号完整性等多方面问题,并且可能使已验证了时序的系统在布图后出现时序问题而需要重新设计。n n根据SOC的特征,SOC的设计与目前的集成电路设计应有所不同,主要表现在以下几个方面 n n第一第一,SOC,SOC的关键目标之一是提高设计产能的关键目标之一是提高设计产能,为了保为了保证一定的设计产能证一定的设计产能,采用采用IPIP设计复用技术设计复用技术是主要的是主要的设计方法设计方法.n n设计人员可以借鉴和使用已成熟的设

7、计为自己的设计人员可以借鉴和使用已成熟的设计为自己的产品服务产品服务,这在上市时间是主要要求的这在上市时间是主要要求的SOCSOC中尤为中尤为重要重要.这样这样,SOCSOC设计从以功能设计为基础的传统设设计从以功能设计为基础的传统设计流程转变到以功能组装为基础的设计方法计流程转变到以功能组装为基础的设计方法,设计设计人员更加关注的是应该如何进行软硬件划分、选人员更加关注的是应该如何进行软硬件划分、选择哪些功能模块、如何使用这些模块、如何进行择哪些功能模块、如何使用这些模块、如何进行模块互连、如何进行系统验证等模块互连、如何进行系统验证等.n n第二第二,SOC,SOC设计与传统的集成电路设计

8、和板级系统设计与传统的集成电路设计和板级系统设计有着本质区别设计有着本质区别.传统的系统设计中软件和硬件传统的系统设计中软件和硬件分别进行设计分别进行设计,只有当硬件部分的设计全部实现后只有当硬件部分的设计全部实现后再进行软硬件的合成联调再进行软硬件的合成联调,并进行软件调试并进行软件调试,如图如图7.27.2所示所示;而对于而对于SOCSOC设计设计,为了保证设计能满足对为了保证设计能满足对功能、性能、上市时间以及开发成本等方面的要功能、性能、上市时间以及开发成本等方面的要求求,对系统设计的要求更为严格对系统设计的要求更为严格,在系统设计阶段在系统设计阶段中需要进行软硬件划分中需要进行软硬件

9、划分,以使软硬件可以同时进行以使软硬件可以同时进行设计调试设计调试,如图如图7.37.3所示所示,这样可大大缩短设计周期这样可大大缩短设计周期,提高设计效率。提高设计效率。n n第三第三,SOC,SOC集成了逻辑、模拟、存储、射频、集成了逻辑、模拟、存储、射频、MEMS,MEMS,光电、生物电及其他非传统技术光电、生物电及其他非传统技术,由于各自要求不由于各自要求不同同,会给设计技术带来很大变化会给设计技术带来很大变化,需要考虑不同系统之间的兼容问题。需要考虑不同系统之间的兼容问题。n n例如数字电路主要考虑速度例如数字电路主要考虑速度,存储电路主要考虑集存储电路主要考虑集成度成度,模拟电路主

10、要关注精度模拟电路主要关注精度,混合信号电路需要混合信号电路需要关注兼容性等关注兼容性等.设计人员需要有丰富的系统知识设计人员需要有丰富的系统知识,在设计中需要考虑多种因素在设计中需要考虑多种因素,除了功能正确外除了功能正确外,还还要考虑时序、功耗、可靠性、可制备性、信号完要考虑时序、功耗、可靠性、可制备性、信号完整性及可测试性的要求。整性及可测试性的要求。n n第四，由于SOC集成了许多原来集成电路的功能,规模庞大,结构复杂,出错后再检查十分困难,因此对设计阶段验证提出了很高要求.尤其在顶层设计必须完成系统仿真验证,保证在最底层模块设计前系统的功能已经过验证.而且需要进行不同类型子系统集成后

11、多层次的验证。n n第五，VDSM技术的采用使设计从 面向逻辑的设计向面向互连的设计方法转变.n n第六,相应SOC设计的EDA工具还不成熟,都处于改进完善阶段,设计人员的经验显得十分重要.n n第七第七,为了完成完整的系统功能为了完成完整的系统功能,必须将嵌入式软必须将嵌入式软件集成到件集成到SOCSOC中中,n n而且未来的而且未来的SOCSOC功能非常复杂功能非常复杂,应用时可能使设计应用时可能使设计与实际应用有所差别与实际应用有所差别,需要做必要修改需要做必要修改,就需要考就需要考虑嵌入式软件虑嵌入式软件,将软件和硬件同时集成在系统中将软件和硬件同时集成在系统中.嵌入式软件是嵌入式软件

12、是SOCSOC设计的关键因素设计的关键因素,而且产品的软而且产品的软件所占比例及成本不断增加件所占比例及成本不断增加,有预测有预测,未来的未来的SOCSOC中中嵌入式软件将占嵌入式软件将占80%80%左右。左右。目前嵌入式软件存在的目前嵌入式软件存在的问题主要包括在不同设计层次的软硬件协同设计、问题主要包括在不同设计层次的软硬件协同设计、软件的验证、软件软件的验证、软件IPIP以及软件可靠性等。以及软件可靠性等。n n总的来说,系统芯片主要用n nIP核复用来提高设计产能,用系统集成来涵盖不同的技术,进行混合技术设计,n n包括嵌入式DRAM、高性能或低功耗逻辑、模拟、射频、MEMS、光输入/

13、输出等技术的集成。7.2 SOC7.2 SOC设计过程设计过程SOCSOC的设计过程的设计过程n n图7.4给出了一个SOC的设计过程,主要包括:n n1，首先对系统进行分析,确定系统设计要求，进行系统描述，得到初步的设计规格说明。n n2，根据系统描述，设计高层次算法级模型，对算法进行测试验证并改进，直到满足要求。n n3 3，对系统进行软硬件划分，定义接口情况对系统进行软硬件划分，定义接口情况，在划，在划分中需要对软硬件完成的功能进行平衡分中需要对软硬件完成的功能进行平衡,使使系统代系统代价最小价最小,性能优化。性能优化。对划分后的软硬件分别进行描对划分后的软硬件分别进行描述述,其中其中n

14、 n硬件描述硬件描述(或称规格说明或称规格说明)定义了硬件需要实现的定义了硬件需要实现的功能功能,用行为级模型来表述用行为级模型来表述;n n软件规格说明成为软件开发的指导文档软件规格说明成为软件开发的指导文档,进行嵌入进行嵌入式软件的原型设计。式软件的原型设计。n n这里对软硬件描述需要用统一的系统描述语言这里对软硬件描述需要用统一的系统描述语言,以以便于软硬件的协同设计、协同仿真验证便于软硬件的协同设计、协同仿真验证 n n4 4，进行软硬件协同仿真验证和性能估计，进行软硬件协同仿真验证和性能估计，如果不如果不满足要求，重新进行软硬件划分，这个过程迭代满足要求，重新进行软硬件划分，这个过程

15、迭代到直到满足要求，最终得到系统的硬件体系结构到直到满足要求，最终得到系统的硬件体系结构和软件结构。和软件结构。n n5 5，对于硬件进一步划分成数个宏单元，独立进行对于硬件进一步划分成数个宏单元，独立进行宏单元设计或者购买宏单元宏单元设计或者购买宏单元，通过宏单元集成及，通过宏单元集成及相关验证，最终完成物理设计、时序验证和功耗相关验证，最终完成物理设计、时序验证和功耗分析以及最终的物理验证分析以及最终的物理验证,从而完成硬件实现从而完成硬件实现;对对于软件进行嵌入式软件开发于软件进行嵌入式软件开发.n n6 6，最后进行，最后进行系统集成系统集成,完成相关完成相关验证测试。验证测试。n n

16、对宏单元设计对宏单元设计,n n如果有适用的如果有适用的IPIP或通过划分可以通过已有的或通过划分可以通过已有的IPIP构构成成,则直接选用相应的则直接选用相应的IP IP；n n如果没有如果没有IPIP支持，则需要进行宏单元开发；支持，则需要进行宏单元开发；n n首先确定宏单元的设计规格首先确定宏单元的设计规格,然后建立行为级的模然后建立行为级的模型和开发测试环境型和开发测试环境,对行为级的设计进行验证对行为级的设计进行验证;在在此基础上将宏单元划分成更小的子单元此基础上将宏单元划分成更小的子单元,并确定每并确定每个子单元的设计规格个子单元的设计规格,在在RTLRTL级设计实现这些子单级设计

17、实现这些子单元元,并进行测试验证、时序分析、功耗分析、可测并进行测试验证、时序分析、功耗分析、可测试性分析等试性分析等,直到满足要求直到满足要求.这样完成的宏单元可这样完成的宏单元可以在后面的系统集成中采用以在后面的系统集成中采用.n n系统设计需要体系结构设计工程师、软件和硬件设计工程师共同完成,其设计质量主要由设计人员的经验及具备的系统知识决定。n n在系统设计过程中,许多系统构件或者由已有的IP核组成,或者由IP核衍生得到,体系结构设计人员在选择IP核时要全面考虑其优缺点,注意IP核的功能指标、接口、各IP核工艺与电参数的相容性等。n n在IP集成中如果是自行开发的新的IP,可能会出现模

18、块级设计中功能故障(bug);n n如果IP来自于其他地方,集成中可能会出现文件不全、IP接口与系统要求不匹配、模型可能不完整或性能不好、IP供应商所提供的技术支持有限等问题。n n目前一般采用的方案是在早期阶段就设计接口,对于采用总线结构来实现集成的情况,需要对一些流行总线进行标准化。SOCSOC的的EDAEDA工具工具n n从从SOCSOC的的EDAEDA工具看工具看,一些一些EDAEDA公司公司,如如n nCadence,Cadence,n nSynopsysSynopsys,n nMentor GraphicsMentor Graphics已推出一些系统级设计工具已推出一些系统级设计工

19、具,n n如如SynopsysSynopsys公司的公司的CocentricCocentric系统工具；系统工具；n nCadenceCadence公司的公司的Virtual component CO-designVirtual component CO-design和和更新的更新的Signal Processing Signal Processing WorksystemWorksystem等；等；n n一些系统公司根据自己需要也开发了一些自己的一些系统公司根据自己需要也开发了一些自己的SOCSOC开发平台开发平台,但都还不够成熟但都还不够成熟.SOC.SOC的的EDAEDA工具还在工具还在

20、不断发展中。不断发展中。7.3 SOC7.3 SOC关键技术及关键技术及目前面临的主要问题目前面临的主要问题 n n主要关键技术：n n软硬件协同设计、n n具有知识产权的IP复用技术、n nSOC验证、n nSOC测试、n n物理设计。7.3.17.3.1软硬件协同设计软硬件协同设计n nSOC设计的系统包括软件和硬件部分,传统系统设计中两部分是分开的,最终的集成一般要到硬件流片实现后进行,发现问题的时间较晚,改正错误的代价很高.如果出现错误,而通过软件又不能修改,就需要通过修改硬件、重新流片来解决,设计周期很长,因此,需要在设计阶段的早期进行软硬件集成和验证,即进行软硬件协同设计。软硬件协

21、同设计软硬件协同设计软硬件协同设计主要包括n n软硬件划分、n n协同指标定义、n n协同分析、n n协同模拟、n n协同验证、n n接口综合。软硬件协同设计过程软硬件协同设计过程n n在软硬件协同设计过程中在软硬件协同设计过程中,首先要解决的问题就是首先要解决的问题就是系统描述语言。系统描述语言。n n随着随着SOCSOC芯片复杂度不断增加芯片复杂度不断增加,软件所占比例和难软件所占比例和难度逐渐提高度逐渐提高,达到达到50%50%以上以上,如果没有良好的软硬件如果没有良好的软硬件协同验证可能需要多次设计迭代协同验证可能需要多次设计迭代,无法保证无法保证SOCSOC的的上市时间上市时间.系统

22、描述语言对协同模拟、协同验证有系统描述语言对协同模拟、协同验证有重要作用重要作用,如同如同VHDLVHDL语言用于集成电路的语言用于集成电路的RTLRTL级设级设计阶段的仿真验证一样计阶段的仿真验证一样.通过统一的系统描述语言通过统一的系统描述语言,相当于在设计早期阶段就建立了一个集成软件和相当于在设计早期阶段就建立了一个集成软件和硬件的虚拟样机硬件的虚拟样机,可以进行软件的集成与调试可以进行软件的集成与调试,无无需等到硬件实现再调试软件需等到硬件实现再调试软件 7.3.2 IP7.3.2 IP复用技术复用技术n n由于设计复杂度的提高和产品上市时间的限制,如果任何设计都从头开始会浪费大量的人

23、力物力,采用前人成功的经验和设计成果是事半功倍的有效途径,而且有望提高系统性能.IPIP核核n n从描述层次上分,n nIP核可分为三种:n n软核、n n固核、n n硬核,n n也称软IP、固IP、硬IP。软核软核n n软核以HDL描述，性能通过时序模拟验证，不依赖于工艺和实现技术，具有很大的灵活性，可复用性高，用户可以将软核映射到自己的工艺上.软核的主要问题是当软核用于SOC 设计时需要更多的设计投入,设计人员需要对系统描述、IP核嵌入以及版图转换全过程负责,IP核性能的可预测性较差,需承担的风险较大,是否可以将软核不加修改地映射到任何工艺上也还是个问题.硬核硬核n n硬核以版图形式描述硬

24、核以版图形式描述,电路和工艺是固定的电路和工艺是固定的,完成完成了全部的前端和后端设计了全部的前端和后端设计;性能和面积经过优化，性能和面积经过优化，经过工艺流片验证，经过工艺流片验证，与软核相比，硬核在面积、与软核相比，硬核在面积、功耗、时延方面易于预测功耗、时延方面易于预测,可以充分发挥工艺极限可以充分发挥工艺极限,提高性能提高性能.硬核硬核,特别是存储器和混合信号模块特别是存储器和混合信号模块,多多采用全定制设计采用全定制设计.当硬核用于当硬核用于SOCSOC设计时所需设计设计时所需设计投入较少投入较少,但硬核与工艺的相关性决定了整个但硬核与工艺的相关性决定了整个SOCSOC的设计也需要

25、使用该工艺的设计也需要使用该工艺,在布局布线时需要注意在布局布线时需要注意硬核的物理限制硬核的物理限制;硬核的灵活性差硬核的灵活性差,在具体功能和在具体功能和性能方面难以修改性能方面难以修改,难以移植到不同工艺中难以移植到不同工艺中.IP.IP供供应商一般不给出硬核的应商一般不给出硬核的RTLRTL级描述级描述,用户无法修改用户无法修改硬核。硬核。硬核硬核n n硬核硬核,特别是存储器和混合信号模块特别是存储器和混合信号模块,多采用多采用全定全定制设计。制设计。n n当硬核用于当硬核用于SOCSOC设计时所需设计时所需设计投入较少设计投入较少,但硬核但硬核与工艺的相关性决定了整个与工艺的相关性决

26、定了整个SOCSOC的设计也需要使用的设计也需要使用该工艺该工艺,在布局布线时需要注意硬核的物理限制。在布局布线时需要注意硬核的物理限制。n n硬核的硬核的灵活性差灵活性差,在具体功能和性能方面难以修改在具体功能和性能方面难以修改,难以移植到不同工艺中。难以移植到不同工艺中。n nIPIP供应商一般供应商一般不给出硬核的不给出硬核的RTLRTL级描述级描述,用户无法用户无法修改硬核。修改硬核。固核固核n n固核介于软核和硬核之间固核介于软核和硬核之间,以网表形式描述以网表形式描述,并进并进行了硬件验证行了硬件验证(可以用可以用FPGAFPGA等进行验证等进行验证),),n n固核相应于某一个工

27、艺有固核相应于某一个工艺有最优的面积和性能特性最优的面积和性能特性,其其时序特性经过严格检验时序特性经过严格检验,只要保证布局布线中关只要保证布局布线中关键路径的分布参数不引起时序错误就可以保证芯键路径的分布参数不引起时序错误就可以保证芯片设计的正确性片设计的正确性,n n但但固核与工艺相关性限制了其使用范围固核与工艺相关性限制了其使用范围,由于网表由于网表难读难读,会使设计中发生时序错误时难以修改会使设计中发生时序错误时难以修改.IPIP复用技术复用技术n nIP复用技术包括n nIP核的生成、使用；n nIP核接口；n nIP核保护。1.IP1.IP核生成核生成n nIPIP可以是自己开发

28、的可以是自己开发的,也可以来自第三方也可以来自第三方IPIP供应商供应商,IP,IP核生核生成与传统汇设计有所不同成与传统汇设计有所不同,IP,IP核生成的要求更为严格核生成的要求更为严格,例如例如IPIP核输出的波形毛刺由于应用环境不同可能会导致电路错核输出的波形毛刺由于应用环境不同可能会导致电路错误误,必须设计无毛刺电路必须设计无毛刺电路.而且由于而且由于IPIP需要为不同用户重用需要为不同用户重用,因此因此需要具备完整的文档说明、测试方案、验证等方面内需要具备完整的文档说明、测试方案、验证等方面内容容.n n一个好的一个好的IPIP核要求核要求n n可复用、可靠、易于使用和评估可复用、可

29、靠、易于使用和评估(实现了文件化）实现了文件化）n n可灵活用于基于模块的设计。可灵活用于基于模块的设计。n n并可实现参数化设计并可实现参数化设计等等.n nIPIP核开发后经过验证、打包达到上述要求才可认为是完成核开发后经过验证、打包达到上述要求才可认为是完成IPIP核的生成核的生成.IPIP的基本部分的基本部分一个IP的基本部分包括n n设计规格和目标规格、n n设计描述(包括行为级模型、对于软核的RTL级描述、对于硬核的物理版图和SPlCE网表)、n n测试图形(包括测试方案和测试平台技术)等.2.IP2.IP复用复用n nSOCSOC设计普遍采用基于设计普遍采用基于IPIP核复用技术

30、的设计方法核复用技术的设计方法,即将各种即将各种IPIP进行集成组成系统进行集成组成系统,可以说可以说,面向面向SOCSOC的的芯片设计是芯片设计是IPIP核核IPIP接口级的设计接口级的设计,而不是传统的门而不是传统的门级设计级设计,设计人员将更加关注整个系统设计人员将更加关注整个系统,而不必考而不必考虑各模块的细节。虑各模块的细节。n nIPIP核的使用不同于单元库的使用核的使用不同于单元库的使用,它涉及到测试、它涉及到测试、验证、低功耗等各个方面验证、低功耗等各个方面.n nIPIP核的复用不是核的复用不是IPIP核的简单堆砌核的简单堆砌,各个各个IPIP核设计完核设计完成后成后,当集成

31、在一起时当集成在一起时,会出现一些问题会出现一些问题,尤其接口尤其接口和时序问题会引起系统故障和时序问题会引起系统故障.由于集成中存在信号由于集成中存在信号完整性、功耗等问题完整性、功耗等问题,n nIPIP复用不当会使复用不当会使IPIP核无法发挥优势核无法发挥优势.IPIP复用复用n nIP复用包括n nIP选择n nIP集成两个方面.n n选用的IP要与其他模块和电路很好配合,如果需要进行大量修改,可能会使工作量大大增加,因此IP选择在设计中是一个需要做仔细考虑的问题.一般一般IPIP选择的几个原则选择的几个原则主要包括n n选择的IP要适于设计复用,n n要有完整的文件说明,n n有较

32、好的验证环境(如测试平台、测试向量、测试模型),n n可灵活适应系统结构修改,n n对于硬IP的选择还要注意物理限制如时钟、功耗等。IPIP集成集成n nIP集成方面最主要的问题就是IP接口问题。n n随着SOC越来越复杂,IP模块越来越多,在一个系统中的IP一般来自于不同的供应商,而IP开发者采用不同设计环境,一个SOC设计可能是多厂商IP核的组合,必须确定相兼容的IP因此,IP接口标准对于高效率完成IP集成,加快设计速度是十分重要的。3.IP3.IP保护保护n nIP的保护是IP复用技术中另一个重要内容,n n主要的保护形式有专利和版权,目前保护形式还未标准化.除了专利和版权形式外,n n

33、还有带密钥的可访问的内容等,n n一般用于IDM公司.IP的保护关键是同时保护IP厂商和用户,使用户既能合理使用又不侵犯IP厂商的专利。7.3.3 SOC7.3.3 SOC验证验证n nSOC验证工作是缩短SOC上市时间、提高设计成功率的关键。随着电路和系统规模与复杂度的增加,验证问题逐渐成为另一个瓶颈问题.在整个SOC的设计过程中,验证的工作可以占到40%一70%,传统的功能验证方法在SOC设计中会遇到很大困难,飞速堆加的门数、复杂的不同的功能模块及其不同的仿真模型都会使传统的仿真验证技术陷入困境。SOCSOC验证的技术挑战验证的技术挑战n n由于SOC集成不同类型的电路,SOC验证可以说是

34、SOC设计中最困难的问题,如何进行包括数字电路、模拟电路、存储电路等的系统的验证,并进行时序、功耗、信号完整性的验证、版图设计后仿真等都是需要解决的问题.所有这些因素都使得SOC的验证工作成为一种新的技术挑战。1.1.主要的验证技术主要的验证技术在SOC的验证中,所采用的验证技术主要包括n n模拟、n n形式验证技术、n n静态验证技术等。(1)(1)模拟模拟(simulation)(simulation)方法方法n n这也是验证中最这也是验证中最常采用的方法常采用的方法。n n对于数字电路对于数字电路,模拟方法可以同时检测被测模块在功能和模拟方法可以同时检测被测模块在功能和时序方面的响应情况

35、。时序方面的响应情况。n n对于模拟电路而言对于模拟电路而言,传统上模拟电路一般只能用电路模拟传统上模拟电路一般只能用电路模拟进行验证进行验证,而无法像数字电路在行为级就可以进行验证而无法像数字电路在行为级就可以进行验证,因因此设计效率较低。此设计效率较低。n nSOCSOC设计对模拟电路的行为级模拟提出了更为迫切的要求设计对模拟电路的行为级模拟提出了更为迫切的要求,模拟电路的行为级模拟在自上而下的模拟电路或混合信号模拟电路的行为级模拟在自上而下的模拟电路或混合信号电路设计中是十分重要的电路设计中是十分重要的.有了行为级模拟有了行为级模拟,就可以到设计就可以到设计的最后阶段才需要完整的电路级网

36、表的最后阶段才需要完整的电路级网表,而且在设计的早期而且在设计的早期阶段就可以对整个芯片的设计思想进行验证阶段就可以对整个芯片的设计思想进行验证,而不涉及具而不涉及具体的实现方案体的实现方案,这样可以加速验证过程这样可以加速验证过程.n n目前有倾向采用Verilog-A描述的模型对模拟电路进行模拟,但是更精确的模拟电路的行为级模型的建立以及相应的模拟电路行为级模拟工具的开发仍是需要解决的问题。AMSAMS混合模拟器混合模拟器n nAMSAMS混合模拟器支持混合信号电路模拟。混合模拟器支持混合信号电路模拟。n n该模拟器中一般用该模拟器中一般用SPICESPICE或快速或快速SPICESPIC

37、E来模拟模拟来模拟模拟电路电路,用用VerilogVerilog或或VHDLVHDL模拟器模拟数字电路模拟器模拟数字电路,另外另外还包含有模拟电路的行为级模拟。还包含有模拟电路的行为级模拟。n n从上个世纪从上个世纪8080年代就开始研究混合模拟器年代就开始研究混合模拟器,但目前但目前还不成熟还不成熟.存在的问题主要有模拟和数字模拟器之存在的问题主要有模拟和数字模拟器之间的同步问题、数字间的同步问题、数字/模拟电路接口处信号的转换模拟电路接口处信号的转换问题以及接口处双向耦合问题等。问题以及接口处双向耦合问题等。对于混合信号电路对于混合信号电路,到底采用到底采用SPICESPICE模模拟还是混

38、合信号模拟器呢拟还是混合信号模拟器呢?n n由于涉及到网表划分、信号从数字到模拟和从模由于涉及到网表划分、信号从数字到模拟和从模拟到数字的转换模型等拟到数字的转换模型等,可能会引入错误结果可能会引入错误结果,而而且模拟电路和数字电路模拟器之间的附加通讯会且模拟电路和数字电路模拟器之间的附加通讯会使性能变差使性能变差,混合信号模拟器应用起来比较困难混合信号模拟器应用起来比较困难.如果如果SPICESPICE模拟器的性能合理模拟器的性能合理,可以不用混合模拟可以不用混合模拟器器,而用而用SPICESPICE模拟模拟.n n另外一种比较理想的验证方案是采用多层级混合另外一种比较理想的验证方案是采用多

39、层级混合信号模拟信号模拟,数字电路用数字电路用VerilogVerilog/VHDL/VHDL模拟模拟,模拟电模拟电路设计思想首先用路设计思想首先用VerilogVerilog-A-A来验证来验证,然后用然后用 SPICESPICE或快速或快速SPICESPICE模拟。模拟。(2)(2)静态验证和形式验证静态验证和形式验证 静态验证中比较常用的方法包括语法检查和静态时序分析等.在静态时序分析中不需要提供测试激励,而是通过对各种时序路径进行计算看它们是否能满足时序关系的要求,以此来分析设计的时序正确性,但静态时序分析并不能保证功能的正确性。形式验证形式验证n n形式验证一般基于数学推导。n n常

40、见的形式验证技术包括形式等价性检查等。n n形式等价性检查是比较两种设计之间的功能等价性,例如RTL设计与RTL设计之间、RTL设计与门级设计之间、门级设计与门级设计之间等.形式验证方法也不需要测试激励向量,但对时序方面的因素考虑较少.n n静态验证方法和形式验证方法可以处理规模比较大的电路,处理的速度也可能比模拟的速度快,但静态验证方法和形式验证方法由于其功能的局限性,并不能取代模拟技术,只能和模拟技术共同完成设计的验证.2.2.不同设计层次的验证不同设计层次的验证SOC的验证方法有多种,包括n n自顶向下(top-down)n n自底向上(bottom-UP)n n基于平台的验证等.SOC

41、SOC的验证的验证n n根据设计过程和层次,SOC的验证可以包括n n系统级、n n模块级、n n门级网表n n物理级验证等.n n在不同的验证层次中可以采用不同的技术.系统级验证系统级验证n n系统级验证一般在完成了系统功能和体系结构设计后进行,主要验证系统设计是否符合设计要求。n n关键问题是建立软硬件协同验证环境。模块级的验证模块级的验证n n模块级的验证是指对设计中使用的模块和IP进行验证,它是保证SOC设计成功的基础。n n因为只有所使用的模块或IP在嵌入到系统中之前经过了完善的验证,才能保证它在SOC中能够正确工作。模块级验证的方法模块级验证的方法n n模块级验证中很大一部分工作是

42、对RTL级设计的正确性进行验证,通常采用的方法包括模拟、静态分析方法和形式验证等。n n对于不同类型的电路,如数字、模拟、存储或数模混合电路等,采用的验证方法是不同的。n n在所有模块都进行了验证后,验证工作主要是要进行模块之间的接口、总线和互连的验证.门级验证门级验证 门级验证的工作主要是检查设计的门级网表在功门级验证的工作主要是检查设计的门级网表在功能和时序方面的正确性。能和时序方面的正确性。这时已经知道设计中使用的具体逻辑门、触发器这时已经知道设计中使用的具体逻辑门、触发器等单元等单元,因此对驱动能力、时序等的计算可以更精因此对驱动能力、时序等的计算可以更精确一些确一些,但由于设计复杂度

43、更高但由于设计复杂度更高,通过模拟技术进通过模拟技术进行验证所需要的时间和代价都会变大行验证所需要的时间和代价都会变大.因此在门级因此在门级验证中可以先采用形式等价性检查的方法验证中可以先采用形式等价性检查的方法,比较门比较门级网表与级网表与RTLRTL设计或其他相关门级网表之间的一致设计或其他相关门级网表之间的一致性性.由于形式等价性检查中不考虑时序方面的问题由于形式等价性检查中不考虑时序方面的问题,所以还需要使用静态时序分析工具验证是否满足所以还需要使用静态时序分析工具验证是否满足时序方面的要求时序方面的要求,并可以采用模拟进行更为完全的并可以采用模拟进行更为完全的验证验证.物理级验证物理

44、级验证n n在物理级验证中,主要针对芯片版图的正确性进行验证。除了常规的DRCERCLVS以外,后仿真内容由于SOC版图的特点也有所不同。n n随着工艺特征尺寸的不断缩小随着工艺特征尺寸的不断缩小,在提取寄生参数时在提取寄生参数时不仅要考虑以前通常处理的二维效应不仅要考虑以前通常处理的二维效应,还需要考虑还需要考虑三维效应三维效应,n n由于信号变化速度的提高和互连线长度的增加由于信号变化速度的提高和互连线长度的增加,寄寄生电感的耦合效应也成为需要考虑的因素生电感的耦合效应也成为需要考虑的因素.而电感而电感的提取和模拟比电容要困难得多的提取和模拟比电容要困难得多.n n这些寄生量会引起这些寄生

45、量会引起附加延迟附加延迟,寄生电阻、电容还会寄生电阻、电容还会引起附加功耗引起附加功耗,线间电容则会引起耦合噪声线间电容则会引起耦合噪声.寄生寄生电感还可能引起振荡电感还可能引起振荡,导致功能失效导致功能失效.这些问题在这些问题在设计中都要予以考虑设计中都要予以考虑.另外另外,还需考虑信号完整性还需考虑信号完整性问题问题.7.3.4 SOC7.3.4 SOC测试测试n n由于由于SOCSOC复杂度高复杂度高,测试工作变得很复杂测试工作变得很复杂,SOC,SOC的测的测试所涉及的问题很多试所涉及的问题很多,测试成本占了芯片研制成本测试成本占了芯片研制成本中的很大一部分。中的很大一部分。n n在在

46、SOCSOC中会遇到不同类型的功能模块的集成中会遇到不同类型的功能模块的集成,包括包括数字电路、模拟电路、存储电路和混合信号电路数字电路、模拟电路、存储电路和混合信号电路等等,这些模块有些是利用其他厂家的这些模块有些是利用其他厂家的IPIP设计设计,有些有些是自行设计完成是自行设计完成,针对它们有不同的测试方法和策针对它们有不同的测试方法和策略略,使使SOCSOC的测试变得十分复杂。的测试变得十分复杂。n n另外另外,由于设计与工艺技术的进步由于设计与工艺技术的进步,芯片的集成度芯片的集成度和速度也不断提高和速度也不断提高,为了达到所需要的故障覆盖率为了达到所需要的故障覆盖率和测试速度和测试速

47、度,仅通过外部测试设备来完成无论从成仅通过外部测试设备来完成无论从成本和技术难度上都是很困难的本和技术难度上都是很困难的,必须在设计中就考必须在设计中就考虑芯片的可测性设计技术虑芯片的可测性设计技术.SOCSOC测试所涉及到的问题测试所涉及到的问题SOC测试所涉及到的问题包括:n nIP核的测试(core-level test)、n nIP核的测试访问(core test access)、n nIP核测试外壳(core test wrapper)。n nIP核的测试要完成的是对独立IP核的测试；n nIP核的测试访问要解决对SOC中IP核的访问问题,包括给IP核提供测试向量和观察其输出的方法。

48、n nIP核测试外壳主要是在嵌入的1P核与其SOC环境之间提供接口。n n图中测试源将测试激励提供给待测的SOC核,测试接收端观察激励产生的响应,测试源和测试接收端可以在片外通过测试设备实现,也可以直接在芯片上实现,或是采用两种方法的结合.1.IP1.IP核的测试核的测试n nIPIP核的测试需要有核的测试需要有n n测试机理和测试向量测试机理和测试向量,n n并需要根据并需要根据IPIP核的种类核的种类(数字逻辑、存储器或模拟数字逻辑、存储器或模拟电路电路)确定故障模型、确定故障模型、n n测试要求和方法等测试要求和方法等,这与一般的模块测试类似这与一般的模块测试类似.n n为了便于测试为了

49、便于测试,IP,IP核设计者可以在核设计者可以在IPIP核中加入可测核中加入可测试性设计支持试性设计支持,如边界扫描、如边界扫描、BISTBIST等。等。n n除了测试向量之外除了测试向量之外,测试的协议和测试流程也要在测试的协议和测试流程也要在这里确定这里确定.IP.IP核测试的内容主要由核测试的内容主要由IPIP核的设计者完核的设计者完成成,并随并随IPIP核一起提交给使用者核一起提交给使用者.n n单固定型故障对于复杂 SOC的测试效率很低,需要建立新的故障模型,以处理串扰以及来源于多层金属的新的失效模型等.而且,对于模拟电路、数字/模拟混合信号系统还没有像数字电路中那样被普遍采用的故障

50、模型,模拟电路中关心的是电压、电流、增益、噪声等参数,这些信号范围、种类、参数指标等都比数字电路复杂,不同的模拟电路模块的测试需按照不同的参数要求进行测试,还需要发展相关的新的测试技术.2.IP2.IP核测试访问机理核测试访问机理n n由于IP核是嵌入在SOC芯片内的,为了对它们进行测试需要能够访问这些IP核,也就是要完成对IP核提供测试激励和将测试响应从IP核传送出来的功能,这需要提供测试访问的路径,并设计控制模式来使用这些测试路径。测试访问路径测试访问路径n n测试访问路径是将测试访问路径是将测试源提供给被测测试源提供给被测IPIP核和将测核和将测试试IPIP核的响应传递出来的路径核的响应