《VLSI设计基础》课件.pptx

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1、VLSIVLSI设计基础设计基础 制作人：时间：2024年X月CONTENTS目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 数字电路设计基础数字电路设计基础第第3 3章章 模拟电路设计基础模拟电路设计基础第第4 4章章 特殊模块设计特殊模块设计第第5 5章章 VLSI VLSI设计实例分析设计实例分析第第6 6章章 总结总结 01010101第第1章章 简简介介 课程介绍课程介绍课程介绍课程介绍本课程介绍了本课程介绍了本课程介绍了本课程介绍了VLSIVLSIVLSIVLSI设计的基础概念、设计流程、常用工具等内容。适合有一定设计的基础概念、设计流程、常用工具等内容。适合有一定设计的基础概念、

2、设计流程、常用工具等内容。适合有一定设计的基础概念、设计流程、常用工具等内容。适合有一定模拟电路基础的学生。模拟电路基础的学生。模拟电路基础的学生。模拟电路基础的学生。VLSIVLSI设计基础概述设计基础概述VLSIVLSI是是Very Large Scale Integrated CircuitVery Large Scale Integrated Circuit的缩写，指将大量晶体管集成在一块芯片上实现的缩写，指将大量晶体管集成在一块芯片上实现功能的技术。功能的技术。VLSIVLSI设计是实现这种技术的过程。设计是实现这种技术的过程。该页面将简述该页面将简述VLSIVLSI的定义及历史背景

3、，介绍的定义及历史背景，介绍VLSIVLSI设计的优势及应用领域。设计的优势及应用领域。VLSIVLSI的优势的优势集成度高，可以在一个芯片上实现多个功能模块。小型化小型化芯片的成本随着集成度的提高不断降低。低成本低成本芯片上的电路部件少，故障率低。可靠性高可靠性高芯片上的功能模块集成度高，通信距离短，能耗低。低能耗低能耗VLSIVLSIVLSIVLSI的应用领域的应用领域的应用领域的应用领域VLSIVLSIVLSIVLSI技术广泛应用于计算机、通信、工业、医疗、军事等领域。其中，计算机技术广泛应用于计算机、通信、工业、医疗、军事等领域。其中，计算机技术广泛应用于计算机、通信、工业、医疗、军事

4、等领域。其中，计算机技术广泛应用于计算机、通信、工业、医疗、军事等领域。其中，计算机是是是是VLSIVLSIVLSIVLSI技术应用最为广泛的领域之一，如处理器、存储器、图形卡等。技术应用最为广泛的领域之一，如处理器、存储器、图形卡等。技术应用最为广泛的领域之一，如处理器、存储器、图形卡等。技术应用最为广泛的领域之一，如处理器、存储器、图形卡等。VLSIVLSI设计流程设计流程明确设计目标，包括电路功能、性能指标、设计技术、仿真与验证等。设计规格设计规格包括电路图设计、电路模拟、电路实现等。电路设计电路设计将电路图转化成逻辑电路，包括逻辑综合、逻辑最小化、时序分析等。逻辑设计逻辑设计将逻辑电路

5、转化成物理电路，包括布局设计、布线设计等。物理设计物理设计逻辑综合工具逻辑综合工具逻辑综合工具逻辑综合工具Synopsys Design CompilerSynopsys Design CompilerCadence EncounterCadence EncounterMentor Graphics PrecisionMentor Graphics Precision布局布线工具布局布线工具布局布线工具布局布线工具Cadence VirtuosoCadence VirtuosoMentor Graphics IC StationMentor Graphics IC StationSynopsy

6、s IC CompilerSynopsys IC Compiler模型库模型库模型库模型库TSMCTSMCGLOBALFOUNDRIESGLOBALFOUNDRIESSamsungSamsung常用常用EDAEDA工具工具电路模拟软件电路模拟软件电路模拟软件电路模拟软件PSpicePSpiceHSPICEHSPICELTspiceLTspice030102需要考虑设计的可靠性、功耗、速度等指标。电路设计电路设计需要考虑芯片布局、电路布线等，以达到最佳的性能指标。物理物理设计设计需要考虑设计的正确性、时序约束等。逻辑设计逻辑设计 02020202第第2章章 数字数字电电路路设计设计基基础础 数字

7、电路设计概述数字电路设计概述包括数字电路、模拟电路、数字信号、模拟信号等数字电路基础数字电路基础概念概念包括使用门电路和开关电路设计数字电路等数字电路设计数字电路设计方法方法包括计算机、通信、控制、仪器仪表等数字电路的应数字电路的应用领域用领域 数制及编码数制及编码包括二进制、八进制、十进制、十六进制等常用的数制常用的数制包括数制转换、寄存器设计等数字电路设计数字电路设计中的数制应用中的数制应用包括BCD码、格雷码等常用编码方式常用编码方式及其优劣及其优劣 组合逻辑电路设计组合逻辑电路设计包括布尔代数、卡诺图等组合逻辑电路组合逻辑电路的基本概念的基本概念包括逻辑门的选择、逻辑电路的优化等组合逻

8、辑电路组合逻辑电路的设计方法的设计方法包括与门、或门、非门、异或门等常用的逻辑门常用的逻辑门及其应用及其应用 时序电路设计时序电路设计包括时钟信号、触发器等时序电路的基时序电路的基本概念本概念包括同步时序电路和异步时序电路的设计等时序电路的设时序电路的设计方法计方法包括时钟的频率、占空比等时钟信号的设时钟信号的设计及其应用计及其应用 数字电路设计概述数字电路设计概述数字电路设计概述数字电路设计概述数字电路是应用数字电子技术进行信号处理的电路。数字电路的基本概念包括数字电路是应用数字电子技术进行信号处理的电路。数字电路的基本概念包括数字电路是应用数字电子技术进行信号处理的电路。数字电路的基本概念

9、包括数字电路是应用数字电子技术进行信号处理的电路。数字电路的基本概念包括数字电路、模拟电路、数字信号、模拟信号等。数字电路的设计方法包括使用数字电路、模拟电路、数字信号、模拟信号等。数字电路的设计方法包括使用数字电路、模拟电路、数字信号、模拟信号等。数字电路的设计方法包括使用数字电路、模拟电路、数字信号、模拟信号等。数字电路的设计方法包括使用门电路和开关电路设计数字电路等。数字电路的应用领域包括计算机、通信、门电路和开关电路设计数字电路等。数字电路的应用领域包括计算机、通信、门电路和开关电路设计数字电路等。数字电路的应用领域包括计算机、通信、门电路和开关电路设计数字电路等。数字电路的应用领域包

10、括计算机、通信、控制、仪器仪表等。控制、仪器仪表等。控制、仪器仪表等。控制、仪器仪表等。030102布尔代数是一种逻辑代数，用于描述逻辑运算布尔代数布尔代数逻辑门是实现基本逻辑运算的芯片，包括与门、或门、非门、异或门等逻辑门逻辑门的的选择选择卡诺图是一种用来简化逻辑表达式的图形工具卡卡诺图诺图八进制八进制八进制八进制在计算机科学中也常用八进制在计算机科学中也常用八进制用用0 0到到7 7表示数字表示数字十进制十进制十进制十进制最为常见的数制最为常见的数制用用0 0到到9 9表示数字表示数字十六进制十六进制十六进制十六进制在计算机科学中也常用十六进制在计算机科学中也常用十六进制用用0 0到到9

11、9和和A A到到F F表示数字表示数字常用的数制常用的数制二进制二进制二进制二进制在数字电路设计中常用的数制之一在数字电路设计中常用的数制之一用用0 0和和1 1表示数字表示数字时序电路的设计方时序电路的设计方法法时序电路是由组合电路和触发器构成的数字电路。时序电路是由组合电路和触发器构成的数字电路。时序电路的设计方法包括同步时序电路和异步时时序电路的设计方法包括同步时序电路和异步时序电路的设计。同步时序电路是指时钟控制的时序电路的设计。同步时序电路是指时钟控制的时序电路，其时序特性由时钟信号决定。异步时序序电路，其时序特性由时钟信号决定。异步时序电路不受时钟信号的控制，其时序特性由输入变电路

12、不受时钟信号的控制，其时序特性由输入变化时产生的触发器输出信号决定。化时产生的触发器输出信号决定。03030303第第3章章 模模拟电拟电路路设计设计基基础础 模拟信号与系统模拟信号与系统模拟信号与系统模拟信号与系统模拟信号是一种连续的信号，可以用无限多个取样点来描述。它具有连续性、模拟信号是一种连续的信号，可以用无限多个取样点来描述。它具有连续性、模拟信号是一种连续的信号，可以用无限多个取样点来描述。它具有连续性、模拟信号是一种连续的信号，可以用无限多个取样点来描述。它具有连续性、实时性和不失真性等特点。模拟信号处理的方法包括采样、滤波、放大、变换实时性和不失真性等特点。模拟信号处理的方法包

13、括采样、滤波、放大、变换实时性和不失真性等特点。模拟信号处理的方法包括采样、滤波、放大、变换实时性和不失真性等特点。模拟信号处理的方法包括采样、滤波、放大、变换等技术。常用的模拟信号处理技术包括时域分析、频域分析、小信号分析等。等技术。常用的模拟信号处理技术包括时域分析、频域分析、小信号分析等。等技术。常用的模拟信号处理技术包括时域分析、频域分析、小信号分析等。等技术。常用的模拟信号处理技术包括时域分析、频域分析、小信号分析等。放大电路设计放大电路设计放大电路设计放大电路设计放大电路是将输入信号放大到一定的电平，以满足输出信号的要求。常用的放放大电路是将输入信号放大到一定的电平，以满足输出信号

14、的要求。常用的放放大电路是将输入信号放大到一定的电平，以满足输出信号的要求。常用的放放大电路是将输入信号放大到一定的电平，以满足输出信号的要求。常用的放大电路有共射放大电路、共基放大电路、共集放大电路等。放大电路的设计方大电路有共射放大电路、共基放大电路、共集放大电路等。放大电路的设计方大电路有共射放大电路、共基放大电路、共集放大电路等。放大电路的设计方大电路有共射放大电路、共基放大电路、共集放大电路等。放大电路的设计方法包括基本放大电路设计、多级放大电路设计、反馈放大电路设计等。优化技法包括基本放大电路设计、多级放大电路设计、反馈放大电路设计等。优化技法包括基本放大电路设计、多级放大电路设计

15、、反馈放大电路设计等。优化技法包括基本放大电路设计、多级放大电路设计、反馈放大电路设计等。优化技术包括负反馈、正反馈、共模反馈、高频技术等。术包括负反馈、正反馈、共模反馈、高频技术等。术包括负反馈、正反馈、共模反馈、高频技术等。术包括负反馈、正反馈、共模反馈、高频技术等。共基放大电路共基放大电路共基放大电路共基放大电路电流放大系数高电流放大系数高输入电阻高输入电阻高输出电阻低输出电阻低使能压控电阻使能压控电阻共集放大电路共集放大电路共集放大电路共集放大电路电压放大系数接近于电压放大系数接近于1 1输入电阻高输入电阻高输出电阻低输出电阻低相位不变相位不变差动放大器差动放大器差动放大器差动放大器抗

16、干扰能力强抗干扰能力强共模抑制比高共模抑制比高失调电压低失调电压低平衡性好平衡性好常用放大电路的特点常用放大电路的特点共射放大电路共射放大电路共射放大电路共射放大电路电压放大系数高电压放大系数高输入电阻低输入电阻低输出电阻高输出电阻高电压增益稳定电压增益稳定滤波器的分类滤波器的分类低通滤波器按频率特性分按频率特性分类类有源滤波器按工作原理分按工作原理分类类一阶滤波器按滤波器阶数按滤波器阶数分类分类激励响应滤波器按工作状态分按工作状态分类类030102采样率44.1kHz，量化位数16bitCDCD音质音质采样率192kHz，量化位数24bit，多通道声音蓝蓝光音光音质质采样率44.1kHz，量

17、化位数16bit，压缩率10:1MP3音音质质数模转换的应用数模转换的应用通过数模转换将数字信号转换为模拟信号，驱动LCD屏幕进行显示显示器显示器将数字音频信号转换为模拟音频信号，输出到耳机或扬声器音频播放器音频播放器将数字信号转换为模拟信号，通过光纤进行传输光纤通信光纤通信 总结总结模拟电路设计是模拟电路设计是VLSIVLSI设计的重要一环。模拟信号设计的重要一环。模拟信号与系统、放大电路、滤波器以及模拟信号数字化与系统、放大电路、滤波器以及模拟信号数字化等内容构成了模拟电路设计的基础。掌握这些知等内容构成了模拟电路设计的基础。掌握这些知识，能够为后续的模拟电路设计打下坚实的基础。识，能够为

18、后续的模拟电路设计打下坚实的基础。04040404第第4章章 特殊模特殊模块设计块设计 存储器设计存储器设计基本结构原理、优缺点、应用场景静态存储器静态存储器基本结构原理、优缺点、应用场景动态存储器动态存储器基本结构原理、优缺点、应用场景EPROMEPROM DSPDSP系统设计系统设计离散时间信号、时域和频域分析、数字信号处理技术数字信号处理数字信号处理的基本概念的基本概念系统级、算法级和RTL级设计、仿真、综合、布局布线DSPDSP系统设计系统设计流程流程卷积、滤波、快速傅里叶变换、卡尔曼滤波、小波变换DSPDSP算法的设算法的设计方法计方法 030102查找表、触发器、可编程连线基本架构

19、基本架构Xilinx ISE、Vivado、Quartus IIFPGA常用常用设计设计工具工具设计输入、综合、布局布线、生成bit文件FPGA设计设计流程流程ASICASICASICASIC常用设计工具常用设计工具常用设计工具常用设计工具CadenceCadenceSynopsysSynopsysMentorMentorTannerTannerApsApsASICASICASICASIC应用场景应用场景应用场景应用场景通信电路通信电路汽车电子汽车电子消费电子消费电子工业自动化工业自动化医疗器械医疗器械航空航天航空航天国防军工国防军工ASICASICASICASIC设计技术设计技术设计技术设计

20、技术SOCSOC设计技术设计技术低功耗设计技术低功耗设计技术模拟电路设计技术模拟电路设计技术射频电路设计技术射频电路设计技术可靠性设计技术可靠性设计技术ASICASIC设计设计ASICASICASICASIC设计流程设计流程设计流程设计流程设计规格说明书设计规格说明书RTLRTL级设计级设计仿真仿真综合综合布局布线布局布线后仿真后仿真存储器设计应用场存储器设计应用场存储器设计应用场存储器设计应用场景景景景存储器用于数据的存储和读取，在多媒体、视频处理、图像处理等领域都有广存储器用于数据的存储和读取，在多媒体、视频处理、图像处理等领域都有广存储器用于数据的存储和读取，在多媒体、视频处理、图像处理

21、等领域都有广存储器用于数据的存储和读取，在多媒体、视频处理、图像处理等领域都有广泛应用。静态存储器速度快，功耗小，适合于小容量的高速缓存和片上存储器；泛应用。静态存储器速度快，功耗小，适合于小容量的高速缓存和片上存储器；泛应用。静态存储器速度快，功耗小，适合于小容量的高速缓存和片上存储器；泛应用。静态存储器速度快，功耗小，适合于小容量的高速缓存和片上存储器；动态存储器容量大，内部集成度高，适合于大容量存储和处理。动态存储器容量大，内部集成度高，适合于大容量存储和处理。动态存储器容量大，内部集成度高，适合于大容量存储和处理。动态存储器容量大，内部集成度高，适合于大容量存储和处理。EPROMEPR

22、OMEPROMEPROM常用于不常用于不常用于不常用于不经常更改数据的存储，在嵌入式系统中应用广泛。经常更改数据的存储，在嵌入式系统中应用广泛。经常更改数据的存储，在嵌入式系统中应用广泛。经常更改数据的存储，在嵌入式系统中应用广泛。DSPDSP算法的常见实现方式算法的常见实现方式ARM Cortex-M、TI C2000、Freescale DSP56800嵌入式处理器嵌入式处理器ADI Sharc、TI TMS320、Altera DSP Builder专用专用DSPDSP芯片芯片Xilinx System Generator、Altium DSPFPGAFPGA实现实现 ASICASIC设

23、计设计ASIC(Application-Specific Integrated ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)Circuit)是指为某一特定应用领域设计、加工、是指为某一特定应用领域设计、加工、制作的芯片。制作的芯片。ASICASIC芯片与芯片与FPGAFPGA、CPLDCPLD不同，是为不同，是为特定应用领域量身定制的、不可更改的芯片。特定应用领域量身定制的、不可更改的芯片。ASICASIC芯片通常集成了大量的模拟电路、数字电路、芯片通常集成了大量的模拟电路、数字电路、存储器、接口电路和时钟电路等，具有高度集成存储器、接口电路和时钟

24、电路等，具有高度集成度、高速率和可靠性、低功耗的优点。度、高速率和可靠性、低功耗的优点。ASICASIC的设的设计流程相对复杂，涉及到多个环节，需要经过仿计流程相对复杂，涉及到多个环节，需要经过仿真、综合、布局布线等多个步骤。真、综合、布局布线等多个步骤。ASICASIC应用广泛，应用广泛，包括通信电路、汽车电子、消费电子、工业自动包括通信电路、汽车电子、消费电子、工业自动化、医疗器械、航空航天、国防军工等领域。化、医疗器械、航空航天、国防军工等领域。05050505第第5章章 VLSI设计实设计实例分析例分析 VLSIVLSIVLSIVLSI设计实例分析设计实例分析设计实例分析设计实例分析本

25、章将介绍三个基于本章将介绍三个基于本章将介绍三个基于本章将介绍三个基于VLSIVLSIVLSIVLSI设计的实例分析，通过实例的介绍，加深对于设计的实例分析，通过实例的介绍，加深对于设计的实例分析，通过实例的介绍，加深对于设计的实例分析，通过实例的介绍，加深对于VLSIVLSIVLSIVLSI设设设设计的理解和掌握。计的理解和掌握。计的理解和掌握。计的理解和掌握。实例一：实例一：xxxxxxxx1.xxxxx设计流程设计流程2.xxxxx3.xxxxx 实例二：实例二：xxxxxxxx1.xxxxx设计流程设计流程2.xxxxx3.xxxxx 实例三：实例三：xxxxxxxx1.xxxxx设计

26、流程设计流程2.xxxxx3.xxxxx 030102xxxxxx实例分析一实例分析一xxxxxxxxxxxx实例二实例二实例二实例二xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx实例三实例三实例三实例三xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 实例分析比较实例分析比较实例一实例一实例一实例一xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx总结总结通过对于三个基于通过对于三个基于VLSIVLSI设计的实例分析，更深入设计的实例分析，更深入理解并掌握了相关设计流程和思路。理解并掌握了相关设计流程和思路。060606

27、06第第6章章 总结总结 本课程的收获本课程的收获通过本课程的学习，我们深入了解了通过本课程的学习，我们深入了解了VLSIVLSI设计的设计的基础知识，具备了设计芯片的能力。同时，我们基础知识，具备了设计芯片的能力。同时，我们还学习到了通过还学习到了通过EDAEDA软件进行芯片设计的方法和软件进行芯片设计的方法和技巧。本课程的实践环节也让我们对技巧。本课程的实践环节也让我们对VLSIVLSI设计流设计流程有了更深刻的认识和理解。程有了更深刻的认识和理解。VLSIVLSI设计的重点设计的重点VLSIVLSI设计的重点是在保证芯片功能的同时，要尽设计的重点是在保证芯片功能的同时，要尽可能地减小芯片

28、面积和功耗。因此，在设计芯片可能地减小芯片面积和功耗。因此，在设计芯片时，需要考虑逻辑优化、布局布线和功耗优化等时，需要考虑逻辑优化、布局布线和功耗优化等问题。另外，芯片设计的工艺流程也需要注意，问题。另外，芯片设计的工艺流程也需要注意，尤其是在制造工艺的选择上。尤其是在制造工艺的选择上。VLSIVLSI设计的值得注意的地方设计的值得注意的地方要保证芯片功能的前提下，尽可能地减小芯片面积逻辑优化逻辑优化要考虑信号的传输速度和噪声等问题布局布线布局布线要尽可能地减小芯片功耗功耗优化功耗优化不同制造工艺有不同的优缺点，需要根据具体情况选择合适的工艺工艺流程工艺流程未来的发展未来的发展随着半导体技术

29、的不断发展，未来随着半导体技术的不断发展，未来VLSIVLSI设计将更设计将更加注重功耗和可靠性的优化。同时，随着人工智加注重功耗和可靠性的优化。同时，随着人工智能、物联网等领域的发展，能、物联网等领域的发展，VLSIVLSI设计也会得到广设计也会得到广泛的应用。因此，学习泛的应用。因此，学习VLSIVLSI设计对于未来的发展设计对于未来的发展有着重要的意义。有着重要的意义。未来未来VLSIVLSI设计的趋势设计的趋势随着移动设备的普及，低功耗芯片将更加受到关注低功耗低功耗在航空、航天等领域，芯片的可靠性尤为重要高可靠性高可靠性人工智能领域需要大量的芯片来支持计算和存储等任务人工智能人工智能物

30、联网需要海量的芯片来实现传感器的数据采集和处理等任务物联网物联网VLSIVLSIVLSIVLSI设计流程设计流程设计流程设计流程VLSIVLSIVLSIVLSI设计流程分为逻辑设计、布局布线和验证三个阶段。逻辑设计是指利用硬设计流程分为逻辑设计、布局布线和验证三个阶段。逻辑设计是指利用硬设计流程分为逻辑设计、布局布线和验证三个阶段。逻辑设计是指利用硬设计流程分为逻辑设计、布局布线和验证三个阶段。逻辑设计是指利用硬件描述语言进行设计，布局布线是指将逻辑电路映射到实际芯片上，验证是指件描述语言进行设计，布局布线是指将逻辑电路映射到实际芯片上，验证是指件描述语言进行设计，布局布线是指将逻辑电路映射到

31、实际芯片上，验证是指件描述语言进行设计，布局布线是指将逻辑电路映射到实际芯片上，验证是指对芯片进行仿真和测试，以保证芯片的正确性和可靠性。对芯片进行仿真和测试，以保证芯片的正确性和可靠性。对芯片进行仿真和测试，以保证芯片的正确性和可靠性。对芯片进行仿真和测试，以保证芯片的正确性和可靠性。030102包括逻辑仿真、综合、布局布线等工具EDAEDA工具工具用于分析芯片的电气特性，如时序、性能等分析工具分析工具用于提取芯片的物理信息，如面积、功耗等抓取工具抓取工具BipolarBipolarBipolarBipolar工艺工艺工艺工艺BipolarBipolar工艺适用于高速和高精度的电路工艺适用于

32、高速和高精度的电路具有高速、高增益和低噪声等特点具有高速、高增益和低噪声等特点BiCMOSBiCMOSBiCMOSBiCMOS工艺工艺工艺工艺BiCMOSBiCMOS工艺是工艺是CMOSCMOS和和BipolarBipolar工艺的结合工艺的结合具有具有CMOSCMOS和和BipolarBipolar工艺的优点，适合高速和低功耗的应用工艺的优点，适合高速和低功耗的应用SOISOISOISOI工艺工艺工艺工艺SOISOI工艺是在绝缘体上进行制造的工艺工艺是在绝缘体上进行制造的工艺具有高速、低功耗和抗辐射等特点具有高速、低功耗和抗辐射等特点VLSIVLSI设计工艺设计工艺CMOSCMOSCMOSCMOS工艺工艺工艺工艺CMOSCMOS工艺是工艺是VLSIVLSI设计中最常用的工艺之一设计中最常用的工艺之一具有低功耗、高可靠性和低成本等特点具有低功耗、高可靠性和低成本等特点 谢谢观看！