SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)（第3版）

目 錄
第1章 SoC設(shè)計(jì)緒論\t1
1．1 微電子技術(shù)概述\t1
1．1．1 集成電路的發(fā)展\t1
1．1．2 集成電路產(chǎn)業(yè)分工\t2
1．2 SoC概述\t3
1．2．1 什么是SoC\t3
1．2．2 SoC的優(yōu)勢(shì)\t4
1．3 SoC設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的
挑戰(zhàn)\t5
1．3．1 SoC設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)\t5
1．3．2 SoC設(shè)計(jì)方法的發(fā)展與挑戰(zhàn)\t10
1．3．3 未來(lái)的SoC\t12
本章參考文獻(xiàn)\t12
第2章 SoC設(shè)計(jì)流程\t13
2．1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)\t13
2．1．1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法\t13
2．2 基于標(biāo)準(zhǔn)單元的SoC設(shè)計(jì)流程\t15
2．3 基于FPGA的SoC設(shè)計(jì)流程\t19
2．3．1 FPGA的結(jié)構(gòu)\t20
2．3．2 基于FPGA的設(shè)計(jì)流程\t23
本章參考文獻(xiàn)\t27
第3章 SoC設(shè)計(jì)與EDA工具\(yùn)t28
3．1 電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與工具\(yùn)t28
3．2 驗(yàn)證的分類(lèi)及相關(guān)工具\(yùn)t28
3．2．1 驗(yàn)證方法的分類(lèi)\t29
3．2．2 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證及相關(guān)工具\(yùn)t29
3．2．3 靜態(tài)驗(yàn)證及相關(guān)工具\(yùn)t30
3．3 邏輯綜合及綜合工具\(yùn)t31
3．3．1 EDA工具的綜合流程\t32
3．3．2 EDA工具的綜合策略\t32
3．3．3 優(yōu)化策略\t32
3．3．4 常用的邏輯綜合工具\(yùn)t33
3．4 可測(cè)性設(shè)計(jì)與工具\(yùn)t33
3．4．1 測(cè)試和驗(yàn)證的區(qū)別\t33
3．4．2 常用的可測(cè)性設(shè)計(jì)\t33
3．5 布局布線與工具\(yùn)t36
3．5．1 EDA工具的布局布線流程\t36
3．5．2 布局布線工具的發(fā)展趨勢(shì)\t36
3．6 物理驗(yàn)證及參數(shù)提取與相關(guān)的
工具\(yùn)t36
3．6．1 物理驗(yàn)證的分類(lèi)\t37
3．6．2 參數(shù)提取\t37
3．7 著名EDA公司與工具介紹\t39
3．8 EDA工具的發(fā)展趨勢(shì)\t40
本章參考文獻(xiàn)\t41
第4章 SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)\t42
4．1 SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)
與各個(gè)階段\t42
4．1．1 功能設(shè)計(jì)階段\t43
4．1．2 應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
階段\t43
4．1．3 平臺(tái)導(dǎo)向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
階段\t43
4．2 SoC中常用的處理器\t43
4．2．1 通用處理器\t44
4．2．2 處理器的選擇\t45
4．3 SoC中常用的總線\t45
4．3．1 AMBA總線\t46
4．3．2 CoreConnect總線\t47
4．3．3 Wishbone總線\t48
4．3．4 開(kāi)放核協(xié)議\t48
4．3．5 復(fù)雜的片上總線結(jié)構(gòu)\t49
4．4 SoC中典型的存儲(chǔ)器\t50
4．4．1 存儲(chǔ)器分類(lèi)\t50
4．4．2 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM\t51
4．4．3 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM\t52
4．4．4 閃存Flash\t54
4．4．5 新型存儲(chǔ)器\t54
4．5 多核SoC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)\t57
4．5．1 可用的并發(fā)性\t57
4．5．2 多核SoC設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)選擇\t57
4．5．3 多核SoC的性能評(píng)價(jià)\t59
4．5．4 幾種典型的多核SoC系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)\t60
4．6 SoC中的軟件結(jié)構(gòu)\t62
4．7 電子系統(tǒng)級(jí)（ESL）設(shè)計(jì)\t64
4．7．1 ESL發(fā)展的背景\t64
4．7．2 ESL設(shè)計(jì)基本概念\t65
4．7．3 ESL設(shè)計(jì)的流程\t66
4．7．4 ESL設(shè)計(jì)的特點(diǎn)\t67
4．7．5 ESL設(shè)計(jì)的核心――事務(wù)級(jí)
建模\t69
4．7．6 事務(wù)級(jí)建模語(yǔ)言簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)
實(shí)例\t78
4．7．7 ESL設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)\t91
本章參考文獻(xiàn)\t91
第5章 IP復(fù)用的設(shè)計(jì)方法\t92
5．1 IP的基本概念和IP分類(lèi)\t92
5．2 IP設(shè)計(jì)流程\t94
5．2．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)\t94
5．2．2 設(shè)計(jì)流程\t94
5．3 IP的驗(yàn)證\t99
5．4 IP核的選擇\t100
5．5 IP市場(chǎng)\t101
5．6 IP復(fù)用技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)\t103
5．7 IP標(biāo)準(zhǔn)組織\t104
5．8 基于平臺(tái)的SoC設(shè)計(jì)方法\t105
5．8．1 平臺(tái)的組成與分類(lèi)\t106
5．8．2 基于平臺(tái)的SoC設(shè)計(jì)方法
流程與特點(diǎn)\t106
5．8．3 基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)例\t107
本章參考文獻(xiàn)\t108
第6章 RTL代碼編寫(xiě)指南\t109
6．1 編寫(xiě)RTL代碼之前的準(zhǔn)備\t109
6．1．1 與團(tuán)隊(duì)共同討論設(shè)計(jì)中
的問(wèn)題\t109
6．1．2 根據(jù)芯片架構(gòu)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)
說(shuō)明書(shū)\t109
6．1．3 總線設(shè)計(jì)的考慮\t110
6．1．4 模塊的劃分\t110
6．1．5 對(duì)時(shí)鐘的處理\t113
6．1．6 IP的選擇及設(shè)計(jì)復(fù)用的
考慮\t113
6．1．7 對(duì)可測(cè)性的考慮\t114
6．1．8 對(duì)芯片速度的考慮\t115
6．1．9 對(duì)布線的考慮\t115
6．2 可綜合RTL代碼編寫(xiě)指南\t115
6．2．1 可綜合RTL代碼的編寫(xiě)
準(zhǔn)則\t115
6．2．2 利用綜合進(jìn)行代碼質(zhì)量
檢查\t118
6．3 調(diào)用Synopsys DesignWare來(lái)
優(yōu)化設(shè)計(jì)\t119
本章參考文獻(xiàn)\t120
第7章 同步電路設(shè)計(jì)及其與異步信號(hào)
交互的問(wèn)題\t121
7．1 同步電路設(shè)計(jì)\t121
7．1．1 同步電路的定義\t121
7．1．2 同步電路的時(shí)序收斂問(wèn)題\t121
7．1．3 同步電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與
缺陷\t122
7．2 全異步電路設(shè)計(jì)\t123
7．2．1 異步電路設(shè)計(jì)的基本原理\t123
7．2．2 異步電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)\t125
7．3 異步信號(hào)與同步電路交互的
問(wèn)題及其解決方法\t125
7．3．1 亞穩(wěn)態(tài)\t126
7．3．2 異步控制信號(hào)的同步及其
RTL實(shí)現(xiàn)\t129
7．3．3 異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)同步
及其RTL實(shí)現(xiàn)\t133
7．4 SoC設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘規(guī)劃策略\t137
本章參考文獻(xiàn)\t138
第8章 綜合策略與靜態(tài)時(shí)序分析
方法\t139
8．1 邏輯綜合\t139
8．1．1 流程介紹\t139
8．1．2 SoC設(shè)計(jì)中常用的綜合
策略\t141
8．2 物理綜合的概念\t142
8．2．1 物理綜合的產(chǎn)生背景\t142
8．2．2 操作模式\t143
8．3 實(shí)例――用Synopsys的工具
Design Compiler (DC)進(jìn)行邏
輯綜合\t144
8．3．1 指定庫(kù)文件\t144
8．3．2 讀入設(shè)計(jì)\t145
8．3．3 定義工作環(huán)境\t145
8．3．4 設(shè)置約束條件\t146
8．3．5 設(shè)定綜合優(yōu)化策略\t148
8．3．6 設(shè)計(jì)腳本舉例\t148
8．4 靜態(tài)時(shí)序分析\t150
8．4．1 基本概念\t150
8．4．2 實(shí)例――用Synopsys的工具
PrimeTime進(jìn)行時(shí)序分析\t153
8．5 統(tǒng)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析\t159
8．5．1 傳統(tǒng)的時(shí)序分析的局限\t160
8．5．2 統(tǒng)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析的概念\t160
8．5．3 統(tǒng)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析的步驟\t161
本章參考文獻(xiàn)\t161
第9章 SoC功能驗(yàn)證\t162
9．1 功能驗(yàn)證概述\t162
9．1．1 功能驗(yàn)證的概念\t162
9．1．2 SoC功能驗(yàn)證的問(wèn)題\t163
9．1．3 SoC功能驗(yàn)證的發(fā)展趨勢(shì)\t163
9．2 功能驗(yàn)證方法與驗(yàn)證規(guī)劃\t163
9．3 系統(tǒng)級(jí)功能驗(yàn)證\t165
9．3．1 系統(tǒng)級(jí)的功能驗(yàn)證\t165
9．3．2 軟硬件協(xié)同驗(yàn)證\t167
9．4 仿真驗(yàn)證自動(dòng)化\t168
9．4．1 激勵(lì)的生成\t169
9．4．2 響應(yīng)的檢查\t170
9．4．3 覆蓋率的檢測(cè)\t170
9．5 基于斷言的驗(yàn)證\t171
9．5．1 斷言語(yǔ)言\t173
9．5．2 基于斷言的驗(yàn)證\t174
9．5．3 斷言的其他用途\t175
9．6 UVM驗(yàn)證方法學(xué)\t176
本章參考文獻(xiàn)\t179
第10章 可測(cè)性設(shè)計(jì)\t180
10．1 集成電路測(cè)試概述\t180
10．1．1 測(cè)試的概念和原理\t180
10．1．2 測(cè)試及測(cè)試矢量的分類(lèi)\t180
10．1．3 自動(dòng)測(cè)試設(shè)備\t181
10．2 故障建模及ATPG原理\t182
10．2．1 故障建模的基本概念\t182
10．2．2 常見(jiàn)故障模型\t182
10．2．3 ATPG基本原理\t185
10．2．4 ATPG的工作原理\t185
10．2．5 ATPG工具的使用步驟\t186
10．3 可測(cè)性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)\t186
10．3．1 可測(cè)性的概念\t186
10．3．2 可測(cè)性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和
不足\t188
10．4 掃描測(cè)試（SCAN）\t188
10．4．1 基于故障模型的可測(cè)性\t188
10．4．2 掃描測(cè)試的基本概念\t189
10．4．3 掃描測(cè)試原理\t190
10．4．4 掃描設(shè)計(jì)規(guī)則\t192
10．4．5 掃描測(cè)試的可測(cè)性設(shè)計(jì)
流程及相關(guān)EDA工具\(yùn)t193
10．5 存儲(chǔ)器的內(nèi)建自測(cè)\t194
10．5．1 存儲(chǔ)器測(cè)試的必要性\t194
10．5．2 存儲(chǔ)器測(cè)試方法\t195
10．5．3 BIST的基本概念\t196
10．5．4 存儲(chǔ)器的測(cè)試算法\t197
10．5．5 BIST模塊在設(shè)計(jì)中的
集成\t199
10．6 邊界掃描測(cè)試\t201
10．6．1 邊界掃描測(cè)試原理\t201
10．6．2 IEEE 1149．1標(biāo)準(zhǔn)\t201
10．6．3 邊界掃描測(cè)試策略和
相關(guān)工具\(yùn)t205
10．7 其他DFT技術(shù)\t205
10．7．1 微處理器核的可測(cè)性
設(shè)計(jì)\t205
10．7．2 Logic BIST\t207
10．8 DFT技術(shù)在SoC中的應(yīng)用\t208
10．8．1 模塊級(jí)的DFT技術(shù)\t208
10．8．2 SoC中的DFT應(yīng)用\t209
本章參考文獻(xiàn)\t210
第11章 低功耗設(shè)計(jì)\t211
11．1 為什么需要低功耗設(shè)計(jì)\t211
11．2 功耗的類(lèi)型\t212
11．3 低功耗設(shè)計(jì)方法\t216
11．4 低功耗技術(shù)\t217
11．4．1 靜態(tài)低功耗技術(shù)\t217
11．4．2 動(dòng)態(tài)低功耗技術(shù)\t219
11．4．3 門(mén)級(jí)優(yōu)化技術(shù)\t222
11．4．4 低功耗SoC系統(tǒng)的
動(dòng)態(tài)管理\t225
11．4．5 低功耗SoC設(shè)計(jì)技術(shù)的
綜合考慮\t226
11．5 低功耗分析和工具\(yùn)t226
11．6 UPF及低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)\t227
11．6．1 基于UPF的設(shè)計(jì)流程\t228
11．6．2 UPF功耗描述文件舉例\t228
11．7 低功耗設(shè)計(jì)趨勢(shì)\t229
本章參考文獻(xiàn)\t230
第12章 后端設(shè)計(jì)\t231
12．1 時(shí)鐘樹(shù)綜合\t231
12．2 布局規(guī)劃\t235
12．3 布線\t237
12．4 ECO技術(shù)\t239
12．5 功耗分析\t240
12．6 信號(hào)完整性的考慮\t241
12．6．1 信號(hào)完整性的挑戰(zhàn)\t241
12．6．2 壓降和電遷移\t243
12．6．3 信號(hào)完整性問(wèn)題的預(yù)防、
分析和修正\t244
12．7 物理驗(yàn)證\t245
12．8 可制造性設(shè)計(jì)/面向良品率
的設(shè)計(jì)\t246
12．8．1 DFM/DFY的基本概念\t246
12．8．2 DFM/DFY方法\t247
12．8．3 典型的DFM/DFY問(wèn)題
及解決方法\t247
12．8．4 DFM/DFY技術(shù)的發(fā)展
趨勢(shì)\t250
12．9 后端設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)\t250
本章參考文獻(xiàn)\t251
第13章 SoC中數(shù)?；旌闲盘?hào)IP的
設(shè)計(jì)與集成\t252
13．1 SoC中的數(shù)?；旌闲盘?hào)IP\t252
13．2 數(shù)模混合信號(hào) IP的設(shè)計(jì)
流程\t252
13．3 基于SoC復(fù)用的數(shù)?；旌?br />信號(hào)（AMS）IP包\t254
13．4 數(shù)?；旌闲盘?hào)（AMS）IP
的設(shè)計(jì)及集成要點(diǎn)\t254
13．4．1 接口信號(hào)\t254
13．4．2 模擬與數(shù)字部分的整體
布局\t255
13．4．3 電平轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)\t255
13．4．4 電源的布局與規(guī)劃\t256
13．4．5 電源/地線上跳動(dòng)噪聲
的消除\t257
13．4．6 其他方面的考慮\t257
13．5 數(shù)模混合IP在SoC設(shè)計(jì)中
存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)\t258
13．6 SoC混合集成的新趨勢(shì)\t258
本章參考文獻(xiàn)\t261
第14章 I/O環(huán)的設(shè)計(jì)和芯片封裝\t262
14．1 I/O單元介紹\t262
14．2 高速I(mǎi)/O的噪聲影響\t262
14．3 靜電保護(hù)\t263
14．3．1 ESD的模型及相應(yīng)的
測(cè)試方法\t264
14．3．2 ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)\t266
14．4 I/O環(huán)的設(shè)計(jì)\t269
14．4．1 考慮對(duì)芯片的尺寸的
影響\t269
14．4．2 考慮對(duì)芯片封裝的影響\t270
14．4．3 考慮對(duì)噪聲的影響\t271
14．4．4 考慮對(duì)芯片ESD的影響\t271
14．5 SoC芯片封裝\t271
14．5．1 微電子封裝的功能\t271
14．5．2 微電子封裝的發(fā)展趨勢(shì)\t272
14．5．3 當(dāng)前的封裝技術(shù)\t272
14．5．4 封裝技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力\t274
本章參考文獻(xiàn)\t275
第15章 課程設(shè)計(jì)\t276
15．1 基于ESL設(shè)計(jì)方法的Motion-
JPEG視頻解碼器設(shè)計(jì)\t276
15．1．1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容\t276
15．1．2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作\t277
15．1．3 SoCLib ESL仿真平臺(tái)及
MJPEG解碼流程的介紹\t279
15．1．4 實(shí)驗(yàn)1 構(gòu)建基于SoCLib
的單核SoC\t280
15．1．5 實(shí)驗(yàn)2 構(gòu)建基于SoCLib
的MPSoC\t287
15．1．6 實(shí)驗(yàn)3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)――
嵌入式操作系統(tǒng)及設(shè)備驅(qū)
動(dòng)設(shè)計(jì)\t293
15．1．7 實(shí)驗(yàn)4 面向MJPEG解碼
的MPSoC系統(tǒng)優(yōu)化\t294
15．2 實(shí)驗(yàn)――基于ARM7TDMI
處理器的SoC設(shè)計(jì)\t296
15．2．1 任務(wù)目標(biāo)\t296
15．2．2 設(shè)計(jì)參考\t296
15．2．3 建議使用的EDA工具\(yùn)t297
15．2．4 基本SoC設(shè)計(jì)方案\t297
15．2．5 實(shí)驗(yàn)要求\t299
15．3 項(xiàng)目進(jìn)度管理\t299
15．3．1 項(xiàng)目任務(wù)與進(jìn)度階段\t299
15．3．2 進(jìn)度的管理\t300
本章參考文獻(xiàn)\t306
附錄A Pthread多線程編程接口\t307
附錄B SoCLib系統(tǒng)支持包\t310