《数字集成电路设计方法》
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[摘 要]数字集成电路目前已无处不在,作为高科技领域中的象征仍在不断发展中,体积小巧化,功能高效化已成为趋势.数字系统的性能和芯片的性能息息相关,且起决定作用.本文开始先介绍了数字集成电路的整体概念以及它的重要性,在同步和异步电路设计中,同步设计的发展更为成熟,因此本文重点赘述同步设计方法,让读者对其有初步认知.接下来详细地列举了数字集成电路的设计方法,介绍了各种方式的特点,指出了不同方法的优势和不足之处.在新形势下,数字集成电路的发展为高新技术的进步注入了活力.
[关键词]数字集成电路；设计方法；RTL设计
中图分类号：TN431.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0166-01
一、数字集成电路概述
在同一款芯片上,把门电路、元件、器件和连线集合起来,把芯片放到管壳中封装,用引脚来完成电脑与外部的连接,从而制成数字逻辑电路或系统.对应其数量（元件和器件等数量）分为不同的规模,目前的分类有：小规模集成（SSI）电路、中规模集成（MSI0电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成（VLSI）电路和特大规模集成（ULSI）电路.
数字电路相比于模拟电路表现出的优势差是巨大的,曾经在二十世纪时就有专家预言过,数字集成电路将会代替模拟电路,模拟电路会推出历史舞台,在实际的运行过程中,数字电路設计在性能和功耗等方面表现出的简便是其占据市场的有利条件.
掌握正确的集成电路设计方法,以不变应万变,伴随着计算机技术的发展,数字集成电路的发展日益成熟.
二、集成电路设计
其概念为：根据性能要求,在正确选择器件,布局,电路模式,配置,设计规则等等的前提下,做到集约化,缩小成本,缩短周期,最大程度设计出满足要求的集成电路.
基础的设计流程总体上来说分为前端设计和后段设计,详细地说又分为系统功能设计、逻辑和电路设计、版图设计.下面来简单介绍典型的集成电路设计流程.
1.系统功能设计
目标：实现系统功能,满足基本性能要求.
过程：功能块划分→RTL级描述→行为仿真功能块划分.功能块在划分过程中要尽可能地减少连线,充分做到接口清晰,设计规模合理化,各个功能块之间能够独立地运行.RTL级行为仿真用来识别整体功能和时序是否正确.
2.逻辑电路设计
A数字电路：RTL级描述→逻辑网表→逻辑模拟与验证
B模拟电路：RTL级仿真通过后,根据设计经验进行电路设计原理图输入→电路模拟与验证.
对于在设计过程中不能顺利进行的,可以在人工设计后再进行原理图的输入,接下来进行逻辑模拟.单元库可由生产厂家提供,如果没有现成的单元库（一组单元电路的集合）的支持,要想办法对各个单元进行设计,通过电路模拟与分析,预测电路的特性,在一次次的验证中修改及矫正,最终形成自己的单元库.
3.版图设计
版图是一组相互套合的模型,各层版图代表不同的工艺步骤,各个图层之间可以独立运行.版图设计大体上分为bottom-up法和top-up法,其中,由于top-up设计法能够实现对每一级设计进行检验,能够提高设计成功率,从而提高设计效率,缩短设计周期,并且,top-up法能够在设计完成后投入下一次的使用,重复使用率高,因此,top-up法已成为数字集成电路的主流.版图设计过程大多基于单元库实现,布局布线过程十分重要,布局是将模块安排在芯片适合的位置,使芯片的整体面积尽可能地小.布线是根据电路的连接关系在指定区域内完成连线,不能有差错,保证一定的布通率.
三、设计方法概述
1.布局设计方法
此设计方法包括全、半、可编程逻辑器件设计等等,以及在此大方向上的其他的兼容设计.用此设计方法需要参考的指标为：芯片的成本、设计的成本、芯片使用的周期、设计规则的周期、保密性以及是否可靠等等因素.
此为芯片成本计算公式.
2.全设计
这种设计方法为人工设计,可以在最大程度上达到芯片的高质量使用,减少成本.同样,对版图设计就提出了更高的要求,某种程度上会增加设计的成本,设计周期相应的也会延长.其中包括符号式版图设计,用事先设计好的系列符号来定义各个版图图层的信息,使其能够独立地进行转换,举例来讲,棍图是常用的符号版图.
3.门阵列设计GA法
形状和尺寸完完全全相同的单元排列成阵列,每个单元内都留下了通道,通道的参数固定,提前完成系列布局和步骤,形成母片,根据实际情况设计孔板和连接板.门阵列设计的整体性能居中,对电路有一定要求,要求电路整体简单.不管是从设计周期还是设计成本来讲,都是不错的选择.
4.标准单元设计SC法
一种库单元设计方法,首先,初始设计中的逻辑单元要非常仔细地设计,以“行”的形式排列,当然,要预先留出布线通道的空间,按照相应的性能和功能,把单元相连,从而形成我们需要的专用电路.并且,标准单元库的单元也是经过人工优化的,因此可以在一定程度上减少面积,实现效用优化,同时,对规则设计提出了高要求,尤其在精准度方面.
5.积木块设计BBL法
此设计法也是通过单元设计法,其布局特点为：任意形状规格的单元（一般为矩形或者是“L”型）,可以是任意位置,且与其他单元设计方法比较大的区别是,此设计法没有布局通道.此设计方法的设计灵活度大,局限性较小,可以在版图和性能上实现最大优化.
6.可编程逻辑器件PLD法
之前的设计方法大都是人工设计,PLD法需要用生产厂家的提供的通用器件.编程方式有现场编程和掩膜编程.现场编程采用熔断丝、点写入等方式,对已经预备好的PLD器件进行编程,不需要微电子工艺,根据实际情况进行操作.掩膜编程需要预先设计好掩膜,可编辑逻辑较容易操控,因此验证起来也很方便.
7.可编程阵列逻辑PAL法和通用阵列逻辑GAL法
PAL法的基本特点为：结构简化,工艺简单,现场编程,对于不同的输出结构需要选择不同的PAL程序.
GAL法的基本特点为：提高可编程速度和器件速度,电擦写,可重复编辑,现场编程,安全性较高,具有安全保护单元.
讲道理,以上所讲的两种方法的器件密度较低,在实际的操作中有些许不便的情况下可采用近来出现的高密度编程器件对编程进行加密处理.
8.现场可编程门阵列FPGA法
此法也称为逻辑单元阵列,相比于其他的设计方法优势较多,可总结为：集成度高、使用灵活、引脚多,可以多达一百多条,使用起来相对便捷可控,适用于功能较多,较复杂的编程设计.与其他设计方法有优势的地方在于其内部连线可以自行设计,通道晶体管和开关矩阵,适用于二百块以下的原型设计.其中,FPGA设计方法可以转换到门阵列,这在一定程度上降低了成本.
总结
数字集成电路技术在世界上高新科技领域有重要的低温,正处于上升发展的阶段,随着计算机技术的跨越式进步,计算机辅助设计已能够成熟地应用与数字集成电路的设计中,数字集成电路的设计方法呈现出多样化,本文简要列举了当下一系列的数字集成电路设计方法,比较了优势与不足.目前数字集成电路的发展势头不容小觑,在某种程度上有代替模拟电路的趋势,在此背景下,我们更有动力为数字集成电路的持续发展贡献自己的力量！
参考文献
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结论:该文是关于集成电路设计和数字和方法方面的相关大学硕士和集成电路本科毕业论文以及相关集成电路论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
集成电路引用文献:
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