作者：zgezi

一、SoC設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

一個(gè)完整的SoC設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（也稱為架構(gòu)設(shè)計(jì)），軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和ASIC設(shè)計(jì)（硬件設(shè)計(jì)）。

SoC設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的ASIC設(shè)計(jì)最大的不同在于以下兩方面：

• SoC設(shè)計(jì)更需要了解整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，定義出合理的芯片架構(gòu)，使得軟硬件配合達(dá)到系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)。因而，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)被越來越多地采用。

• SoC設(shè)計(jì)是以IP復(fù)用或更大的平臺(tái)復(fù)用為基礎(chǔ)的。因而，基于IP 復(fù)用的設(shè)計(jì)是硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

二、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

SoC（System on Chip）通常被稱作系統(tǒng)及芯片或者片上系統(tǒng)，作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，其包含了硬件和軟件兩部分內(nèi)容。這里硬件指SoC芯片部分，軟件指運(yùn)行在SoC芯片上的系統(tǒng)及應(yīng)用程序。所在在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)從軟件和硬件的角度去考慮。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師很難對結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)層次上進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，隨著設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)化，要改變系統(tǒng)架構(gòu)變得更加困難。此外，由于仿真速度的限制，軟件開發(fā)難以在這種詳細(xì)的硬件平臺(tái)上進(jìn)行，所以采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)可能會(huì)存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長，芯片設(shè)計(jì)完成后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)存在問題等。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)指的是軟硬件的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，如下圖所示，在系統(tǒng)定義的初始階段兩者就緊密相連，近年來，由于電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)（ESL Electronic System Leverl Design）工具的發(fā)展，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)逐漸被采用。這種方法使得軟件設(shè)計(jì)者在硬件設(shè)計(jì)完成之前就可以獲得軟件開發(fā)的虛擬硬件平臺(tái)，在虛擬平臺(tái)上開發(fā)應(yīng)用軟件，評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)需求說明

系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先從確定所需的功能開始，包含系統(tǒng)基本輸入和輸出及基本算法需求，以及系統(tǒng)要求的功能、性能、功耗、成本和開發(fā)時(shí)間等。在這一階段，通常會(huì)將用戶的需求轉(zhuǎn)換為用于設(shè)計(jì)的技術(shù)文檔，并初步確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

2.2 高級(jí)算法建模與仿真

設(shè)計(jì)者將使用如C和C++等高級(jí)語言創(chuàng)建整個(gè)系統(tǒng)的高級(jí)算法模型和仿真模型。目前，一些EDA工具可以幫助我們完成這一步驟。有了高級(jí)算法模型，便可以得到軟硬件協(xié)同仿真所需的可執(zhí)行的說明文檔。此類文檔會(huì)隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程的深入而不斷地完善和細(xì)化。

2.3 軟硬件劃分過程

設(shè)計(jì)者通過軟硬件劃分來決定哪些功能應(yīng)該由硬件完成，哪些功能應(yīng)該由軟件來實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)需要反復(fù)評(píng)估-修改直至滿足系統(tǒng)需求的過程。

2.4 軟硬件同步設(shè)計(jì)

由于軟硬件的分工已明確，芯片的架構(gòu)及同軟件的接口也已定義，接下來便可以進(jìn)行軟硬件的同步設(shè)計(jì)了。其中硬件設(shè)計(jì)包括RTL設(shè)計(jì)和集成、綜合、布局布線及最后的流片。軟件設(shè)計(jì)則包括算法優(yōu)化、應(yīng)用開發(fā)，以及操作系統(tǒng)、接口驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件的開發(fā)。

三、基于標(biāo)準(zhǔn)單元的SoC芯片設(shè)計(jì)流程

• 硬件設(shè)計(jì)定義說明（Hardware Design Specification）
  ? 硬件設(shè)計(jì)定義說明描述芯片總體結(jié)構(gòu)、規(guī)格參數(shù)、模塊劃分、使用的總線，以及各個(gè)模塊的詳細(xì)定義等。

• 模塊設(shè)計(jì)及IP復(fù)用（Module Design & IP Reuse）
  ? 對于需要重新設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；對于可復(fù)用的IP核，通常由于總線接口標(biāo)準(zhǔn)不一致需要做一定的修改。

• 頂層模塊集成（Top Level Integration）
  ? 頂層模塊集成是將各個(gè)不同的功能模塊，包括新設(shè)計(jì)的與復(fù)用的整合在一起，形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。通常采用硬件描述語言對電路進(jìn)行描述，其中需要考慮系統(tǒng)時(shí)鐘/復(fù)位、I/O環(huán)等問題。

• 前仿真（Pre-layout Simulation）
  ? 前仿真也叫RTL級(jí)仿真。通過HDL仿真器驗(yàn)證電路邏輯功能是否有效。在前仿真時(shí)，通常與具體的電路物理實(shí)現(xiàn)無關(guān)，沒有時(shí)序信息。

• 邏輯綜合（Logic Synthesis）
  ? 邏輯綜合是指使用EDA工具把由硬件描述語言設(shè)計(jì)的電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換成特定工藝下的網(wǎng)表，即從RTL級(jí)的HDL描述通過編譯與優(yōu)化產(chǎn)生符合約束條件的門級(jí)網(wǎng)表。

• 版圖布局規(guī)劃（Floorplan）
  ? 版圖布局規(guī)劃完成的任務(wù)是確定設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊在版圖上的位置，主要包括：
  I/O規(guī)劃，確定I/O的位置，定義電源和接地口的位置；
  模塊放置，定義各種物理的組、區(qū)域或模塊，對這些大的宏單元進(jìn)行放置；
  供電設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)整個(gè)版圖的供電網(wǎng)絡(luò)，基于電壓降（IR Drop）和電遷移進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

• 功耗分析（Power Analysis）
  ? 在設(shè)計(jì)中的許多步驟都需要對芯片功耗進(jìn)行分析，從而決定是否需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
  ? 在版圖布局規(guī)劃后，需要對電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功耗分析（PNA，Power Network Analysis），確定電源引腳的位置和電源線寬度。
  ? 在完成布局布線后，需要對整個(gè)版圖的布局進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗分析和靜態(tài)功耗分析。
  ? 除了對版圖進(jìn)行功耗分析以外，還應(yīng)通過仿真工具快速計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗，找出主要的功耗模塊或單元。

• 單元布局和優(yōu)化（Placement & Optimization）
  ? 單元布局和優(yōu)化主要定義每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的擺放位置并根據(jù)擺放的位置進(jìn)行優(yōu)化。

• 靜態(tài)時(shí)序分析（STA，Static Timing Analysis）
  ? STA是一種靜態(tài)驗(yàn)證方法
  ? 通過對提取電路中所有路徑上的延遲等信息的分析，計(jì)算出信號(hào)在時(shí)序路徑上的延遲，找出違背時(shí)序約束的錯(cuò)誤，如檢查建立時(shí)間（Setup Time）和保持時(shí)間（Hold Time）是否滿足要求。

• 形式驗(yàn)證（Formal Verification）
  ? 形式驗(yàn)證也是一種靜態(tài)驗(yàn)證方法。
  ? 在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中會(huì)多次引入形式驗(yàn)證用于比較RTL代碼之間、門級(jí)網(wǎng)表與RTL代碼之間，以及門級(jí)網(wǎng)表之間在修改之前與修改之后功能的一致性。

• 可測性電路插入（DFT，Design for Test）
  ? 可測性設(shè)計(jì)是SoC設(shè)計(jì)中的重要一步。通常，對于邏輯電路采用掃描鏈的可測試結(jié)構(gòu)，對于芯片的輸入/輸出端口采用邊界掃描的可測試結(jié)構(gòu)。基本思想是通過插入掃描鏈，增加電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的可控性和可觀測性，以達(dá)到提高測試效率的目的。一般在邏輯綜合或物理綜合后進(jìn)行掃描電路的插入和優(yōu)化。

• 時(shí)鐘樹綜合（Clock Tree Synthesis）
  ? SoC設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)同步電路的設(shè)計(jì)，即所有的寄存器或一組寄存器是由同一個(gè)時(shí)鐘的同一個(gè)邊沿驅(qū)動(dòng)的。構(gòu)造芯片內(nèi)部全局或局部平衡的時(shí)鐘鏈的過程稱為時(shí)鐘樹綜合。分布在芯片內(nèi)部寄存器與時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了一種樹狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為時(shí)鐘樹。時(shí)鐘樹綜合是在布線設(shè)計(jì)之前進(jìn)行的。

• 布線設(shè)計(jì)（Routing）
  ? 這一階段完成所有節(jié)點(diǎn)的連接。

• 寄生參數(shù)提取（Parasitic Extraction）
  ? 通過提取版圖上內(nèi)部互連所產(chǎn)生的寄生電阻和電容值，進(jìn)而得到版圖實(shí)現(xiàn)后的真實(shí)時(shí)序信息。
  ? 這些寄宿生電路信息將用于做靜態(tài)時(shí)序分析和后仿真。

• 后仿真（Post-layout Simulation）
  ? 后仿真也叫門級(jí)仿真、時(shí)序仿真、帶反標(biāo)的仿真，需要利用在布局布線后獲得的精確延遲參數(shù)和網(wǎng)表進(jìn)行仿真，驗(yàn)證網(wǎng)表的功能和時(shí)序是否正確。后仿真一般使用標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)（SDF，Standard Delay Format)文件來輸入延時(shí)信息。

• ECO修改（ECO，Engineering Change Order）
  ? ECO修改是工程修改命令的意思。
  ? 這一步實(shí)際上是正常設(shè)計(jì)流程的一個(gè)例外。當(dāng)在設(shè)計(jì)的最后階段發(fā)現(xiàn)個(gè)別路徑有時(shí)序問題或邏輯錯(cuò)誤時(shí)，有必要通過ECO對設(shè)計(jì)的局部進(jìn)行小范圍的修改和重新布線，并不影響芯片其余部分的布局布線。在大規(guī)模的IC設(shè)計(jì)中，ECO修改是一種有效、省時(shí)的方法，通常會(huì)被采用。

• 物理驗(yàn)證（Physical Verification）
  ? 物理驗(yàn)證是對版圖的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC，Design Rule Check）及邏輯圖網(wǎng)表和版圖網(wǎng)表比較（LVS，Layout Vs. Schematic）。
  ? DRC用以保證制造良率。
  ? LVS用以確認(rèn)電路版圖網(wǎng)表結(jié)構(gòu)是否與其原始電路原理圖（網(wǎng)表)一致。