数字集成电路与系统设计

　　本书根据数字集成电路和系统工程设计所需求的知识结构，涉及了从系统架构设计至GDSⅡ版图文件的交付等完整的数字集成电路系统前/后端工程设计流程及关键技术。内容涵盖了VLSI设计方法、系统架构、技术规格书(SPEC)、算法建模、Verilog HDL及RTL描述、逻辑与物理综合、仿真与验证、时序分析、可测性设计、安全性设计、低功耗设计、版图设计及封装等工程设计中各阶段的核心知识点。尤其对数字信号处理器的算法建模及ASIC设计实现中的关键技术给出了详尽的描述和设计实例。

　　李广军，电子科技大学通信与信息工程学院授，博导。电子科技大学通信集成电路与系统工程中心主任；电子科技大学–Freescale无线通信与嵌入式系统联合实验室主任；电子科技大学—MentorGraphicsEDA/SoC设计及培训中心主任；电子科技大学—AlteraEDA/SOPC联合实验室主任；长虹－电子科技大学IC设计联合实验室主任。多年从事科学研究与工程技术开发工作，主要研究领域为通信系统设计、无线传感器网络、嵌入式系统设计、EDA/SOC/SOPC设计、通信专用集成电路设计等。

第1章 绪论
1.1 集成电路的发展简史
1.2 集成电路产业链(行业)概述
1.2.1 电子设计自动化行业
1.2.2 IP行业
1.2.3 集成电路设计服务行业
1.2.4 集成电路设计行业
1.2.5 集成电路晶圆制造行业
1.2.6 封装测试行业
1.2.7 半导体设备与材料行业
1.2.8 集成电路分销代理行业
1.3 VLSI设计流程
1.3.1 系统规范(System Specification)
1.3.2 架构设计(Architecture Exploration)
1.3.3 逻辑功能设计与综合(Logic Design and Syntheses)
1.3.4 电路设计、综合与验证(Circuit Design，Syntheses and Verification)
1.3.5 物理设计(Physical Design)
1.3.6 物理验证(Physical Verification)
1.3.7 制造(Manufacture)
1.3.8 封装和测试(Packaging and Testing)
1.4 VLSI设计模式
1.4.1 全定制设计
1.4.2 标准单元设计
1.4.3 宏单元
1.4.4 门阵列
1.4.5 现场可编程门阵列 (FPGA)
1.4.6 结构化ASIC(无通道门阵列)
1.5 版图层和设计规则
1.5.1 版图层集成电路
1.5.2 设计规则
1.6 目前面临的问题和发展方向
1.6.1 物理综合技术
1.6.2 设计重用和片上系统
1.6.3 片上网络
1.6.4 FPGA的动态可重构和异构计算
1.6.5 演化硬件电路和系统
参考文献
习题
第2章 可编程逻辑器件及现场可编程门阵列
2.1 可编程逻辑器件的分类及现状
2.2 半导体存储器及其组合逻辑实现
2.2.1 存储器件
2.2.2 基于存储器ROM/RAM的组合逻辑及状态机实现
2.3 可编程逻辑器件
2.3.1 可编程逻辑阵列
2.3.2 可编程阵列逻辑
2.3.3 复杂可编程逻辑器件
2.4 现场可编程门阵列
2.4.1 FPGA的典型结构
2.4.2 基于SRAM的FPGA
2.4.3 基于反熔丝多路开关(MUX)的FPGA
2.4.4 Xilinx和Altera的系列FPGA
2.5 基于Verilog的FPGA设计流程
2.5.1 架构设计
2.5.2 设计输入
2.5.3 RTL设计
2.5.4 FPGA综合
2.5.5 布局布线
2.5.6 仿真与验证
2.5.7 基于ModelSim的设计与仿真流程
2.5.8 基于IP的FPGA嵌入式系统设计
2.6 ASIC设计与FPGA设计之间的移植
2.6.1 可供选择的设计方法
2.6.2 FPGA之间的转换
2.6.3 FPGA到ASIC的转换
2.6.4 ASIC到FPGA的转换
2.7 FPGA的安全性设计
2.7.1 设备对FPGA日益增加的依赖
2.7.2 FPGA的安全设计及技术要点
参考文献
习题
第3章 数字集成电路系统设计工程
3.1 数字集成电路设计的基本流程
3.2 需求分析和设计规格书
3.3 算法和架构设计
3.3.1 算法设计
3.3.2 架构设计
3.4 模块设计、RTL设计和可测性设计
3.4.1 模块设计
3.4.2 RTL设计
3.4.3 可测性设计
3.5 综合
3.6 时序验证
3.6.1 动态时序仿真和静态时序分析
3.6.2 时序收敛
3.7 原型验证
3.8 后端设计
3.9 CMOS工艺选择
3.10 封装
3.11 生产测试
3.12 集成电路产业的变革及对设计方法的影响
参考文献
习题
第4章 Verilog HDL基础
4.1 Verilog HDL的基本结构及描述方式
4.1.1 模块的结构
4.1.2 Verilog中的标识符
4.1.3 Verilog中的端口和内部变量的定义
4.1.4 结构定义语句
4.1.5 注释语句
4.1.6 Verilog原语(Primitives)
4.2 Verilog中的常量、变量和数据类型
4.2.1 数字声明
4.2.2 常量、变量和运算表达式
4.3 赋值语句
4.3.1 连续赋值语句
4.3.2 过程赋值语句
4.3.3 块语句
4.4 电路功能描述方式
4.4.1 数据流描述方式
4.4.2 行为描述方式
4.4.3 结构描述方式
4.4.4 混合描述方式
4.5 门电路的传输延迟
4.5.1 惯性延迟
4.5.2 传输延迟
4.5.3 模块路径延迟
4.5.4 延迟建模的表达式
4.6 数字逻辑验证和仿真
4.6.1 数字逻辑验证的4个阶段
4.6.2 逻辑仿真
4.7 测试平台testbench及仿真设计
4.7.1 testbench的概念及结构
4.7.2 testbench的编写
参考文献
习题
第5章 数字逻辑电路的Verilog RTL建模和设计
5.1 数字系统的数据通路和控制器
5.1.1 数据通路
5.1.2 控制部分
5.2 Verilog的寄存器传输级(RTL)设计流程
5.2.1 寄存器传输级概念和模型
5.2.2 寄存器传输级的基本特点
5.2.3 寄存器传输级的设计步骤
5.2.4 寄存器传输级设计与行为级设计的区别
5.3 基本组合电路设计
5.3.1 多路选择器
5.3.2 译码器
5.3.3 行波进位加法器和超前进位全加器
5.4 基本时序电路设计
5.4.1 存储元件的基本特点
5.4.2 锁存器
5.4.3 D触发器
5.4.4 计数器
5.5 有限状态机设计
5.5.1 有限状态机的基本概念
5.5.2 状态机的描述和基本语法
5.5.3 状态机设计流程和设计准则
5.5.4 状态机的描述风格
5.5.5 状态机设计的建模技巧
参考文献
习题
第6章 数字信号处理器的算法、架构及实现
6.1 数字信号处理的算法分析与实现
6.1.1 算法分解的基础理论
6.1.2 基本算法分析
6.2 信号处理器的基本运算模型及实现
6.2.1 加法器、乘法器和延迟单元
6.2.2 积分器和微分器
6.2.3 抽样和插值滤波器
6.3 数字滤波器的工作原理及实现结构
6.3.1 数字滤波器的特点
6.3.2 FIR数字滤波器的工作原理
6.3.3 FIR滤波器技术参数及设计步骤
6.3.4 FIR滤波器的设计方案
6.3.5 FIR滤波器的一般实现结构
6.3.6 FIR滤波器的抽头系数编码
6.4 FIR数字滤波器的Verilog描述及实现
6.4.1 数字信号处理系统的设计流程
6.4.2 FIR滤波器的Verilog设计举例
6.4.3 数字相关器的Verilog设计举例
6.5 数字信号处理器的有限字长 效应
6.5.1 数字信号处理器的主要误差源
6.5.2 有限字长的影响
6.5.3 减缓舍入误差的措施
参考文献
习题
第7章 可测性设计
7.1 测试和可测性设计的基本概念
7.1.1 故障测试基本概念和过程
7.1.2 自动测试设备
7.2 故障建模及ATPG原理
7.2.1 故障建模的基本概念
7.2.2 数字逻辑单元中的常见故障模型
7.2.3 存储器的故障模型
7.2.4 故障测试覆盖率和成品率
7.2.5 ATPG的工作原理
7.2.6 ATPG的设计流程和工具
7.3 可测性设计
7.3.1 电路的可测性
7.3.2 常用的可测性设计方案
7.3.3 可测性设计的优势和不足
7.4 扫描测试
7.4.1 扫描测试原理
7.4.2 扫描测试的可测性设计
7.5 内建自测试
7.5.1 内建自测试的基本概念
7.5.2 存储器的内建自测试
7.6 边界扫描法
7.6.1 边界扫描法的基本结构
7.6.2 JTAG和IEEE 1149.1标准
7.6.3 边界扫描设计流程
参考文献
习题
第8章 物理设计
8.1 数字集成电路的后端设计
8.1.1 数字集成电路的前端设计和后端设计
8.1.2 数字集成电路的前端设计
8.1.3 数字集成电路的后端设计
8.2 半导体制造工艺简介
8.2.1 单晶硅和多晶硅
8.2.2 氧化工艺
8.2.3 掺杂工艺
8.2.4 掩模的制版工艺
8.2.5 光刻工艺
8.2.6 金属化工艺
8.3 版图设计规则
8.3.1 版图设计规则
8.3.2 版图设计规则的几何约束
8.4 版图设计
8.4.1 布局规划
8.4.2 布线
8.4.3 寄生参数提取
8.5 版图后验证
8.5.1 设计规则检查(DRC)
8.5.2 版图与原理图的一致性检查
8.5.3 版图后时序分析(后仿真)
8.5.4 ECO技术
8.5.5 噪声、VDD压降和电迁移分析
8.5.6 功耗分析
8.6 数据交换及检查
8.6.1 数据交换
8.6.2 检查内容及方法
8.7 封装
8.7.1 封装的基本功能
8.7.2 常见的封装类型
8.7.3 系统级封装技术
参考文献
习题
第9章 仿真验证和时序分析
9.1 仿真类型
9.2 综合后的时序仿真与验证
9.2.1 动态时序分析
9.2.2 静态时序分析
9.2.3 影响时序的因素
9.3 时序规范和用于时序验证的Verilog系统任务
9.3.1 时序规范
9.3.2 时序检查验证
9.4 延迟反标注
9.4.1 Verilog中的sdf
9.4.2 在ASIC设计流程中使用sdf
9.5 ASIC中时序违约的消除
9.5.1 消除时序违约的可选方案
9.5.2 利用缓冲器插入技术减少信号延迟
参考文献
习题
第10章 低功耗设计
10.1 低功耗设计的意义
10.1.1 功耗问题的严重性
10.1.2 低功耗设计的意义
10.2 低功耗设计技术的发展趋势
10.2.1 降低动态功耗技术趋势
10.2.2 降低静态功耗技术趋势
10.2.3 低功耗体系结构设计的趋势
10.3 在各设计抽象层次降低功耗
10.3.1 降低动态功耗技术
10.3.2 降低静态功耗技术
10.4 系统级低功耗技术
10.4.1 硬件／软件划分
10.4.2 低功耗软件和处理器
10.5 寄存器传输级的低功耗设计
10.5.1 并行处理和流水线
10.5.2 几种常见的RTL设计描述方法
10.6 未来超低功耗设计的展望
10.6.1 亚阈区电路
10.6.2 容错设计
10.6.3 全局异步和局部同步设计
10.6.4 栅感应泄漏抑制方法
参考文献
习题

前 言

正如CDMA之父、高通公司创始人及高通首席科学家，安德鲁?维特比所言：在信息行业，信息论是方向盘，集成电路是引擎。集成电路已成为现代信息社会的基础以及电子系统的核心，在经济建设、社会发展和国家安全领域占据至关重要的战略地位，并具有不可替代的关键作用。但是，作为全球**的集成电路市场，目前中国核心半导体芯片(计算机、通信、存储芯片等)大部分仍依赖于进口，中国半导体芯片的进口额已超过了石油的进口额。
随着中国集成电路产业的重要性和规模持续且迅速地提升，对集成电路人才的需求持续增长。如今的集成电路设计是系统导向、IP导向，集成电路设计工程已成为渗透多个学科、战略性与高技术产业相结合的综合性的工程领域。
集成电路及系统设计技术为现代无线通信、导航、定位、传感、识别等信息系统提供了关键的核心元器件及集成组件，对现代各种有线/无线技术的发展和成功起到了关键的作用，已成为现代电子信息技术的基础和核心，是国防安全、信息安全等领域的关键核心技术。
近20年来，电子科技大学通信集成电路与系统工程中心一直从事可编程ASIC设计、数字集成电路与系统设计、嵌入式系统设计等相关领域的教学和科研工作。在2000年，我们和清华大学孟宪元教授合作编写的《可编程ASIC设计》教科书被多所高校采用。2003年，该书被评为研究生教材。
由于国内的集成电路设计水平和生产制造环境所限，近十余年我们陆续采用了美国科罗拉多大学、美国东北大学、美国德州大学达拉斯分校、瑞士苏黎世联邦理工学院的数字集成电路设计和ASIC设计的教科书，至今已历经10余届研究生、本科生的教学实践。从21世纪初，我们陆续承担了国家863项目、国家重大科技专项、国际合作等多个数字集成电路与系统、数模混合SoC芯片的设计研发工作，积累了较丰富的数字集成电路与系统设计的教学和科研经验。我们深知，一个数字集成电路设计工程师*迫切需要了解和掌握什么，如何具有在*短的时间里承担、完成实际集成电路工程设计任务的能力。
我们深刻体会到，随着ICT行业的飞速发展，目前我国的数字集成电路与系统芯片的设计水平与20世纪相比已有本质的差别和飞跃，社会和行业已对大学生的数字集成电路与系统设计的知识与能力提出了很高的要求。据此，我们在学习、吸收国外先进教学理念和体系的基础上，根据国内集成电路设计的现状和需求编写了《数字集成电路与系统设计》这本教科书。
本书的特点是把数字集成电路和系统的前/后端设计的全流程均贯穿于书中的各个章节。根据数字集成电路和系统工程设计所需求的知识结构，本书涉及了从系统架构设计至GDSⅡ版图文件交付等完整的数字VLSI前/后端工程设计的工业流程及关键技术。
本书内容涵盖了VLSI设计方法、系统架构、技术规格书(SPEC)、算法建模、Verilog HDL及RTL描述、逻辑与物理综合、仿真与验证、时序分析、可测性设计、安全性设计、低功耗设计、版图设计及芯片封装等工程设计中不同阶段的核心知识点，尤其对数字信号处理器的算法建模及ASIC设计实现中的关键技术给出了详尽的描述和设计实例。
本书的目的是让学生掌握数字集成电路设计工程师*迫切需要了解和掌握的知识和本领，让电子与通信工程、计算机工程、计算机科学和自动控制等专业领域的学生具有承担并完成实际集成电路工程设计任务的能力。
本书对希望从事数字集成电路与系统前 / 后端工程设计、FPGA设计开发的读者来说都是一本很好的教材和参考书。本书适合电子与通信工程，计算机工程和自动控制等专业的高年级本科生和低年级研究生作为教材，也适合电子与通信、自动控制等领域的专业工程师阅读参考。采用本书作为教材的授课教师可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册下载本书教学相关资料。
本书由李广军、郭志勇、陈亦欧、阎波、林水生、黄乐天、郑植、周亮、杨海芬、姚毅共同编写，电子科技大学中山学院的杨健君博士也参加了部分编写工作，电子科技大学通信集成电路与系统工程中心的研究生对本书的部分习题和设计案例进行了仿真和验证。
本书参考了国内外著名大学的专家和教授的大量著作及文献，并得到了国内和校内著名专家和教授的建议、帮助和支持，在此表示衷心感谢。作者希望本书能对我国高校和相关行业的“数字集成电路与系统设计”的教学和科研尽些微薄之力。电子工业出版社的马岚编辑为本书的出版全过程做了大量的工作。在此，对所有为本书出版提供帮助的人士表示诚挚的谢意！
由于作者水平有限，加之时间仓促，本书还有许多不尽人意之处，我们盼望着使用本书的教师和读者提出宝贵的意见，也热切地期待得到同行的建议和指教。