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| 編輯推薦： |
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理论 实验 课程设计
★ 配套多媒体电子课件 ◎ 以实用的设计技术为主线 ◎ 按照SoC设计流程组织内容 ◎ 介绍SoC设计领域的*成果 ◎ 内容涉及芯片的设计 ◎ 包含封装等被大多一般集成电路设计教材所忽略的内容
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| 內容簡介： |
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本书是普通高等教育"十一五”*规划教材、普通高等教育精品教材。本书结合SoC设计的整体流程，对SoC设计方法学及如何实现进行了全面介绍。全书共15章，主要内容包括：SoC设计绪论、SoC设计流程、SoC设计与EDA工具、SoC系统结构设计、IP复用的设计方法、RTL代码编写指南、同步电路设计及其与异步信号交互的问题、综合策略与静态时序分析方法、SoC功能验证、可测性设计、低功耗设计、后端设计、SoC中数模混合信号IP的设计与集成、IO环的设计和芯片封装、课程设计与实验。书中不仅融入了很多来自于工业界的实践经验，还介绍了SoC设计领域的*成果，可以帮助读者掌握工业化的解决方案，使读者能够及时了解SoC设计方法的*进展。本书提供中英文电子课件。
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| 關於作者： |
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郭炜，研究员。1982年获大连海事大学电子工程学士学位。1991年获美国路易斯安娜州立大学电子工程学硕士学位。1991—2003年，任职于Motorola公司芯片设计部首席主任工程师（Principal Staff Engineer），研发项目负责人。成功地主持和负责过多个大规模SoC设计项目的研发工作，具有丰富的IC设计及项目管理经验。2004—2007年，在上海交通大学从事集成电路设计相关的科研与教学工作。2007年至今任天津大学研究员，长期从事计算机系统结构与设计、SoC设计、微处理器设计、多媒体处理技术等领域的教学、科研及产业化开拓。
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| 目錄：
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目录
第1章SoC设计绪论1
1.1微电子技术概述1
1.1.1集成电路的发展1
1.1.2集成电路产业分工2
1.2SoC概述3
1.2.1什么是SoC3
1.2.2SoC的优势4
1.3SoC设计的发展趋势及面临的
挑战5
1.3.1SoC设计技术的发展与挑战5
1.3.2SoC设计方法的发展与挑战10
1.3.3未来的SoC12
本章参考文献12
第2章SoC设计流程13
2.1软硬件协同设计13
2.1.1软硬件协同设计方法13
2.2基于标准单元的SoC设计流程15
2.3基于FPGA的SoC设计流程19
2.3.1FPGA的结构20
2.3.2基于FPGA的设计流程23
本章参考文献27
第3章SoC设计与EDA工具28
3.1电子系统级设计与工具28
3.2验证的分类及相关工具28
3.2.1验证方法的分类29
3.2.2动态验证及相关工具29
3.2.3静态验证及相关工具30
3.3逻辑综合及综合工具31
3.3.1EDA工具的综合流程32
3.3.2EDA工具的综合策略32
3.3.3优化策略32
3.3.4常用的逻辑综合工具33
3.4可测性设计与工具33
3.4.1测试和验证的区别33
3.4.2常用的可测性设计33
3.5布局布线与工具36
3.5.1EDA工具的布局布线流程36
3.5.2布局布线工具的发展趋势36
3.6物理验证及参数提取与相关的
工具36
3.6.1物理验证的分类37
3.6.2参数提取37
3.7著名EDA公司与工具介绍39
3.8EDA工具的发展趋势40
本章参考文献41
第4章SoC系统结构设计42
4.1SoC系统结构设计的总体目标
与各个阶段42
4.1.1功能设计阶段43
4.1.2应用驱动的系统结构设计
阶段43
4.1.3平台导向的系统结构设计
阶段43
4.2SoC中常用的处理器43
4.2.1通用处理器44
4.2.2处理器的选择45
4.3SoC中常用的总线45
4.3.1AMBA总线46
4.3.2CoreConnect总线47
4.3.3Wishbone总线48
4.3.4开放核协议48
4.3.5复杂的片上总线结构49
4.4SoC中典型的存储器50
4.4.1存储器分类50
4.4.2静态随机存储器SRAM51
4.4.3动态随机存储器DRAM52
4.4.4闪存Flash54
4.4.5新型存储器54
4.5多核SoC的系统结构设计57
4.5.1可用的并发性57
4.5.2多核SoC设计中的系统
结构选择57
4.5.3多核SoC的性能评价59
4.5.4几种典型的多核SoC系统
结构60
4.6SoC中的软件结构62
4.7电子系统级（ESL）设计64
4.7.1ESL发展的背景64
4.7.2ESL设计基本概念65
4.7.3ESL设计的流程66
4.7.4ESL设计的特点67
4.7.5ESL设计的核心事务级
建模69
4.7.6事务级建模语言简介及设计
实例78
4.7.7ESL设计的挑战91
本章参考文献91
第5章IP复用的设计方法92
5.1IP的基本概念和IP分类92
5.2IP设计流程94
5.2.1设计目标94
5.2.2设计流程94
5.3IP的验证99
5.4IP核的选择100
5.5IP市场101
5.6IP复用技术面临的挑战103
5.7IP标准组织104
5.8基于平台的SoC设计方法105
5.8.1平台的组成与分类106
5.8.2基于平台的SoC设计方法
流程与特点106
5.8.3基于平台的设计实例107
本章参考文献108
第6章RTL代码编写指南109
6.1编写RTL代码之前的准备109
6.1.1与团队共同讨论设计中
的问题109
6.1.2根据芯片架构准备设计
说明书109
6.1.3总线设计的考虑110
6.1.4模块的划分110
6.1.5对时钟的处理113
6.1.6IP的选择及设计复用的
考虑113
6.1.7对可测性的考虑114
6.1.8对芯片速度的考虑115
6.1.9对布线的考虑115
6.2可综合RTL代码编写指南115
6.2.1可综合RTL代码的编写
准则115
6.2.2利用综合进行代码质量
检查118
6.3调用Synopsys DesignWare来
优化设计119
本章参考文献120
第7章同步电路设计及其与异步信号
交互的问题121
7.1同步电路设计121
7.1.1同步电路的定义121
7.1.2同步电路的时序收敛问题121
7.1.3同步电路设计的优点与
缺陷122
7.2全异步电路设计123
7.2.1异步电路设计的基本原理123
7.2.2异步电路设计的优点与缺点125
7.3异步信号与同步电路交互的
问题及其解决方法125
7.3.1亚稳态126
7.3.2异步控制信号的同步及其
RTL实现129
7.3.3异步时钟域的数据同步
及其RTL实现133
7.4SoC设计中的时钟规划策略137
本章参考文献138
第8章综合策略与静态时序分析
方法139
8.1逻辑综合139
8.1.1流程介绍139
8.1.2SoC设计中常用的综合
策略141
8.2物理综合的概念142
8.2.1物理综合的产生背景142
8.2.2操作模式143
8.3实例用Synopsys的工具
Design Compiler DC进行逻
辑综合144
8.3.1指定库文件144
8.3.2读入设计145
8.3.3定义工作环境145
8.3.4设置约束条件146
8.3.5设定综合优化策略148
8.3.6设计脚本举例148
8.4静态时序分析150
8.4.1基本概念150
8.4.2实例用Synopsys的工具
PrimeTime进行时序分析153
8.5统计静态时序分析159
8.5.1传统的时序分析的局限160
8.5.2统计静态时序分析的概念160
8.5.3统计静态时序分析的步骤161
本章参考文献161
第9章SoC功能验证162
9.1功能验证概述162
9.1.1功能验证的概念162
9.1.2SoC功能验证的问题163
9.1.3SoC功能验证的发展趋势163
9.2功能验证方法与验证规划163
9.3系统级功能验证165
9.3.1系统级的功能验证165
9.3.2软硬件协同验证167
9.4仿真验证自动化168
9.4.1激励的生成169
9.4.2响应的检查170
9.4.3覆盖率的检测170
9.5基于断言的验证171
9.5.1断言语言173
9.5.2基于断言的验证174
9.5.3断言的其他用途175
9.6UVM验证方法学176
本章参考文献179
第10章可测性设计180
10.1集成电路测试概述180
10.1.1测试的概念和原理180
10.1.2测试及测试矢量的分类180
10.1.3自动测试设备181
10.2故障建模及ATPG原理182
10.2.1故障建模的基本概念182
10.2.2常见故障模型182
10.2.3ATPG基本原理185
10.2.4ATPG的工作原理185
10.2.5ATPG工具的使用步骤186
10.3可测性设计基础186
10.3.1可测性的概念186
10.3.2可测性设计的优势和
不足188
10.4扫描测试（SCAN）188
10.4.1基于故障模型的可测性188
10.4.2扫描测试的基本概念189
10.4.3扫描测试原理190
10.4.4扫描设计规则192
10.4.5扫描测试的可测性设计
流程及相关EDA工具193
10.5存储器的内建自测194
10.5.1存储器测试的必要性194
10.5.2存储器测试方法195
10.5.3BIST的基本概念196
10.5.4存储器的测试算法197
10.5.5BIST模块在设计中的
集成199
10.6边界扫描测试201
10.6.1边界扫描测试原理201
10.6.2IEEE 1149.1标准201
10.6.3边界扫描测试策略和
相关工具205
10.7其他DFT技术205
10.7.1微处理器核的可测性
设计205
10.7.2Logic BIST207
10.8DFT技术在SoC中的应用208
10.8.1模块级的DFT技术208
10.8.2SoC中的DFT应用209
本章参考文献210
第11章低功耗设计211
11.1为什么需要低功耗设计211
11.2功耗的类型212
11.3低功耗设计方法216
11.4低功耗技术217
11.4.1静态低功耗技术217
11.4.2动态低功耗技术219
11.4.3门级优化技术222
11.4.4低功耗SoC系统的
动态管理225
11.4.5低功耗SoC设计技术的
综合考虑226
11.5低功耗分析和工具226
11.6UPF及低功耗设计实现227
11.6.1基于UPF的设计流程228
11.6.2UPF功耗描述文件举例228
11.7低功耗设计趋势229
本章参考文献230
第12章后端设计231
12.1时钟树综合231
12.2布局规划235
12.3布线237
12.4ECO技术239
12.5功耗分析240
12.6信号完整性的考虑241
12.6.1信号完整性的挑战241
12.6.2压降和电迁移243
12.6.3信号完整性问题的预防、
分析和修正244
12.7物理验证245
12.8可制造性设计面向良品率
的设计246
12.8.1DFMDFY的基本概念246
12.8.2DFMDFY方法247
12.8.3典型的DFMDFY问题
及解决方法247
12.8.4DFMDFY技术的发展
趋势250
12.9后端设计技术的发展趋势250
本章参考文献251
第13章SoC中数模混合信号IP的
设计与集成252
13.1SoC中的数模混合信号IP252
13.2数模混合信号 IP的设计
流程252
13.3基于SoC复用的数模混合
信号（AMS）IP包254
13.4数模混合信号（AMS）IP
的设计及集成要点254
13.4.1接口信号254
13.4.2模拟与数字部分的整体
布局255
13.4.3电平转换器的设计255
13.4.4电源的布局与规划256
13.4.5电源地线上跳动噪声
的消1
|
| 內容試閱：
|
序 一
2007年是晶体管发明60周年，2008年是集成电路发明50周年。也许连晶体管的发明人威廉?肖克利（William Shockley）和集成电路的发明人杰克?基尔比（Jack Kilby）当初也没有意识到，他们的发明能够对后世产生如此重大和深远的影响，以至于今天我们的生活中晶体管和集成电路无处不在。1965年戈登?摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律（Moores Law），准确地预言了其后40多年集成电路技术的发展。尽管今天在面临功耗等诸多挑战的时候，人们对摩尔定律还能持续多久产生了一些疑问，但也没有人怀疑它在未来20年中还会一直有效。
即使对集成电路技术一无所知的人，也很容易计算出226是一个多么巨大的数字。回顾集成电路在过去的40多年中以集成度每18个月翻一番的速度成长的过程，我们今天无论如何也不该再简单地使用芯片这个单词了，因为它已经无法准确地描述今天集成电路的复杂度和功能。在绞尽脑汁用小规模、中规模、大规模、甚大规模、超大规模和特大规模等形容词来描述集成电路复杂度的过程中，人们发现已经找不到更合适的形容词了，似乎语言的能力在高速发展的集成电路技术面前也有些黔驴技穷。上世纪末逐渐被人们所采用的系统级芯片（SoC，System on Chip）预示着这个行业在快速发展40年后，正在出现一个量变到质变的突破。
2003年也许注定就是一个不平凡的年份，在亚洲国家遭受非典影响的同时，全球集成电路产业也悄悄地经历了一个痛苦、但是意义深远的变革。这次变革虽然没有惊天动地，但足以让集成电路产业来重新审视我们过去研究和预言过无数次的未来。我们曾经非常熟悉、且深信不移集成电路产业发展的动力，如以工艺能力为中心的工艺技术进步驱动产业发展，等比例缩小驱动性能提升和成本下降，提高性能是芯片追求的主要目标和动态功耗主导芯片功耗等，除了等比例缩小仍然是成本下降的主要手段之外，其他的都发生了深刻的变化。例如，以设计能力为核心的系统设计技术成为驱动产业发展的主要力量，创新驱动性能提升，芯片的功耗不再取决于动态功耗，而取决于静态功耗等。面对这些变化，我们一方面不得不感叹技术进步的迅猛和知识更新换代的频繁，另外一方面也惊讶地发现，我们要面对的不再是传统芯片的设计问题，包括软件、通信、应用等诸多系统层面的问题也成为我们必须面对和克服的挑战。不少有识之士在不断地提醒着我们SoC中的S（System）比C（Chip）更重要，这是因为了解S是设计C的先决条件。显然，SoC的设计者不仅要掌握芯片的设计技术，更要了解和掌握系统的知识。
中国是信息产业大国，也是集成电路产业大国。经过数十年的精心组织和发展，中国已经成为全球集成电路产业的重要基地之一。可以预见的是，在未来若干年中，全球集成电路产业向中国转移的大趋势将不会改变，这不仅仅是因为中国经济的发展造就了庞大的市场需求，更是中国本土集成电路产业的进步营造了一个全球不可多得的，优秀的集成电路产业发展环境。以设计为龙头的产业发展策略在造就了一个生机勃勃的集成电路设计行业的同时，也极大地提升了我国在集成电路领域的创新能力。以移动通信为例，我们在第一代模拟移动通信中只是一个站在圈外的买家，在第二代移动通信的发展中期，我们就参与了关键芯片产品的竞争，而在第三代移动通信发展的初期，我们已经成为一个全球不能忽视的重要伙伴。这些有目共睹的变化昭示着中国集成电路产业发展的希望和强劲力量。进入新世纪以来，我们见证了集成电路产业在中国的飞速发展，更感受到产业发展对人才培养的迫切需求。与发达国家相比，我国集成电路设计人才的数量和质量都相差甚远，根本无法满足产业发展的需求。因此，我们完全有理由相信今后10年中对于集成电路人才的需求，特别是对高层次集成电路人才的需求将持续升温。
人才的培养离不开一流的师资和教材。目前，国内高校在集成电路设计教学方面更多的是采用国外引进的专业基础教材，虽然其中不乏经典之作，但总体来看，这些教材缺乏从系统看芯片的介绍，缺乏对SoC概念的讲解，缺乏从工程的角度教会学生做SoC设计的内容，学生也很难将底层器件和上层系统联系在一起。这造成了国内培养的工程师往往能够设计一个小的功能模块，却很难胜任一个复杂SoC的设计。
本书围绕SoC设计，全面深入地介绍了有关SoC的知识，着重阐述了SoC设计中广受关注的系统架构设计，低功耗设计，可测性设计，先进验证方法和后端设计。内容既包括SoC的概念介绍，常用的微处理器、总线和存储器，还包括SoC设计的完整流程和工具介绍，以及RTL代码编写指南等十分实用的内容，是一本内容全面并具有一定前瞻性的教材及参考书。
本书的主要作者郭炜教授具有在Motorola长期参与芯片设计与项目管理的丰富经历，以及多年从事科研与教学的经验，书中不仅介绍了SoC设计领域的最新成果，还融入了很多来自工业界的实践经验和案例，可以帮助读者通过了解工业界实用的解决方案，快速提升对SoC设计的理解，掌握SoC设计的关键技术。书中不仅涉及芯片的设计，也包含了封装等一般集成电路设计教材中大多忽略的内容，使得实用化成为本书的第二个重要特点。
本书没有遵循一般专著或教材的编写特点，而是以教会学生实用的设计技术为主线，按照SoC设计流程来组织和安排各个章节的内容，能够让初次涉足此领域的学生顺着书阅读，自然地学习和掌握SoC的设计过程，书中给出的实验大纲和项目进度管理等，不仅进一步充实了本书作为教材的内容，对于学生今后的就业也是不错的基础培训。
过去几年中，我国越来越多的高等院校扩大了集成电路设计专业的人才培养，因此建设更多、更优秀、实践性更强的教材迫在眉睫。希望今后能够看到更多富有工程及教学经验的人士编写出更多、更好的教材，为我国集成电路设计人才的培养作出我们应有的贡献。
（魏少军）
2007年4月于北京清华大学
序 二
2007年初，我读了郭炜研究员编写的《SoC设计方法与实现》一书的手稿，并为之写序，我当时主要看到的是一个成功的SoC设计者的丰富实践经验。今天，我再次先于读者拜读《SoC设计方法和实现（第2版）》，明显看到了作者根据技术的革新与进步，对第1版的技术内容做了大幅度增删，也明显看到了沉淀在书稿中的作者在这4年多的时间里积累的教学经验。
4年多来，传统的硅基CMOS主流工艺技术仍在不断改进，应用于不同领域的处理器的集成度还在不断增加。在晶体管集成度，单位功率性能和功能集成等关键指标方面，在新的记录不断产生的同时又不断被打破。高性能数字单元的实现工艺覆盖了不同的工艺技术，包括65nm、45 nm、40nm、32 nm及SOI CMOS技术。
4年多来，SoC设计中所涉及的新器件、新结构迅速出现，模拟SoC的设计需求越来越多。数字技术的迅速发展和壮大，曾使人们一度忘记了真正的世界其实是模拟的世界!今天，为了满足模拟SoC信号处理的精度需求，大量使用了将数字信号处理模块嵌入到模拟电路模块的设计方法，利用这类技术研发的电路的性能已经可以与传统方式设计的高性能模拟集成电路相比拟，甚至有的已经超越了后者。
4年多来，得益于先进的纳米尺度CMOS工艺技术及电路结构和实现技术的不断创新，无线通信电路模块的数据传输速率在不断提高。采用CMOS工艺的射频单元技术和电路技术发展迅速，利用载波频率为120GHz的频带，近距离无线通信的收发器可以实现10Gbs的收发速率，这种无线链接的数据速率已经与传统的有线解决方案的速率十分接近。随着无线多媒体通信对数据通信速率的要求越来越高，SoC设计越来越多地要包含射频单元。
4年多来，无论是面向高性能计算的SoC，还是面向低功耗消费电子产品的SoC，都发展迅速，系统中越来越多地要嵌入不同类型的存储单元。随着工艺的特征尺寸发展到32nm或28nm以下，SoC中包含的存储容量越来越大，性能越来越强，但是工艺尺寸缩小也使得包含嵌入式存储器的SoC设计面临越来越多的技术难题和挑战。
4年多来，随着工艺水平的发展，处理器的系统集成度越来越高，从而在SoC设计时对系统级的功耗优化和有效的电源管理提出了更加苛刻的要求。由于低功耗的需要，SoC设计者有时不得不放弃对高工作频率的追求，转而通过集成多个工作频率较低的处理器核来并行执行任务。利用这种计算模式，在不需要运算时可以关掉某些处理器核或使之进入休眠模式，以降低系统功耗。
经过4年多的技术演变，SoC设计者面临的设计问题、应用对象、可用设计元素及SoC设计方法与实现技术本身都已发生了很大变化。我很高兴地看到，郭炜研究员的及时修订体现了这种技术演变。
《SoC设计方法与实现》第1版付梓时，郭炜研究员刚刚离开工业界，到大学执教，甚至可以说，她是SoC设计的专家，却是SoC设计人才培养（教学工作）的新手。我很高兴地看到，本书的修订在实验环节上做了大幅度的补充，充分反映了郭炜研究员的教学经验。
《SoC设计方法与实现（第2版）》能更好地适应复杂SoC设计工作的需求，能够帮助读者掌握有关集成电路设计SoC技术工业化的解决方案，使读者能够及时了解SoC设计方法的最新进展，是一本内容全面、将理论与实践有机结合的教材及技术参考书，相信不论是高校的在校学生，还是SoC设计的入门者和有经验的工程师都可以从本书中获取有益的知识！
（王志华）
2011年5月于清华大学
第3版前言
随着对产品快速市场化和多样性需求的增加，半导体产业已经由技术驱动进入应用驱动阶段。创新周期越来越短，技术开发和产业化的边界日趋模糊，技术更新和成果转化更加快捷，产业更新换代不断加快。面向系统应用的新型SoC，融合计算、通信和多媒体等多种应用，由CPU DSP FPGA 硬件加速器 IO等组成的混合架构，在能够满足多种功能的需求的同时，对成本和能效提出了更高的要求。在新的挑战面前，SoC设计方法也在不断地发展。基于FPGA的SoC设计，由于它的可重
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