Digital IC Design

Assignment of digital integrated circuit design course of Peking University - FPGA design

北京大学数字集成电路设计课程作业—FPGA设计

Homework1

4位超前进位加法器的设计与32位超前进位加法器的设计。

Homework2

ALU设计：完成一个32位ALU设计并进行功能验证。

ALU计算溢出的判断方法

Homework3

Homework4

Homework5

Homework6

Ext-Homework

设计一个简单的闹钟：详细设计见：Timer

Better Solution

参考Part8：8.Homework_Upgrade_Solution目录下的解决办法。

Practice

一些练习与解题思路的八股总结：👉见这里

• 状态机的基本解题步骤
• D触发器和组合逻辑电路转化为Verilog代码
• 双向RAM
• 一些Tips

Key Word

集成电路设计名词：

• Synthesis：综合，包括translation + optimization + mapping

• 工艺无关性：设计可以应用到任何工艺

• HDL Compiler：HDL Compiler将HDL描述转换为Synopsys 设计块，并传送给Design Compiler

• Design Compiler：Design Compiler将 Synopsys设计块映射到用户指定库的门级设计

• Design(设计)：完成一个或多个逻辑功能的电路

• Cell (单元) ：一个设计在另一个设计中的实例

• Reference (引用) ：单元(Cell)指向的原始设计，如verilog module

• Port (端口) ：设计的输入或输出接口

• Pin (引脚) ：单元(Cell)的输入或输出接口

• Net (网线) ：Port-Pin或Pin-Pin之间的连接线

• Clock (时钟) ：指定为时钟源的Port或Pin

• 时序弧：一段连接线(net)延时或一个单元(cell)延时

• 环境约束：对电路工作的外在环境，包括电路的工作电压、工作温度以及工艺变化，以及电路与周边其它电路的关系，包括输入引脚的延时及驱动能力，输出引脚的负载及输出延时。

• Load Budget：负载预算，即输出端口驱动能力最小单元驱动（反相器），限制每个输入端口的输入电容，估算输出端口驱动模块的数目。

• Wire Load Model：wire load model根据芯片面积和标准单元的扇出估算连接线上的电容，分为top，enclosed，segmented三种类型。

• Constraint：约束，Design Compiler优化一个设计到目标工艺库的目标

• 设计规则约束：与工艺相关的限制，如最大的传输时间、最大的扇出、最大电容等。

• 优化约束：设计目标及要求。如最大延时、最小延时、最大面积、最大功耗等。

• PAD：IO pad是一个芯 管脚处理模块，即可以将芯片管脚的信号经过处理送给芯片内部，又可以讲芯片内部输出的信号经过处理送到芯片管脚

• 上升（下降）延时：信号从 10%电平上升（下降）到 90%电平所需要的时间

• False Path：在电路中一种有物理连接的路径，是不传播信号的通路，或是忽略这个通路上的时序约束

• 多周期通路：在有些情况下，两个寄存器之间的组合逻辑延迟可能要求多于一个时钟周期，这些通路应设置为Multi-Cycle通路，解决办法有dont_touch、ungroup、uniquify

  • 最简单的方法是uniquify, 但需要较多的存储器和编译时间
  • 如果希望保留设计层次并资源共享，使用dont_touch
  • 如果希望得到一个最好的结果，推荐使用 ungroup，但需要的存储器和编译时间最多。

• 逻辑级优化：technology independent optimization，对电路的布尔表达式进行优化，对整个设计面积/速度特性有全局的影响，包括flatten ( 缺省为关 ) : 清除所有中间变量，使用布尔分配定律去除所有括号；structure : 提取公用逻辑

• 门级优化：从工艺库中选择元件以实现这些逻辑结构，以满足电路指定的时间、设计规则和面积目标，包括map，使设计与工艺相关

• Slack：要求时间与实际到达时间的差值结果。

• 资源共享：指多节代码共享一组逻辑。

• CTLF：（Compiled Timing Library Format）编译的时序库格式。特定工艺元件数据的标准格式。

• GCF：（General constraint Format)通用约束格式。约束数据的标准格式。

• MIPD：（Module Input Port Delay)模块输入端口延时。模块输入或输入输出端口的固有互连延时

• MITD：(Multi-source Interconnect Transport Delay)多重互连传输延时。与SITD相似，但支持多个来源的不同延时。

• PLI：（Programming Language Interface）编程语言界面。基于C的对Verilog数据结构的程序访问。

• SDF：Standard Delay Format.(标准延迟格式)。时序数据OVI标准格式。

• SITD：Single-Source Interconnect Transprot Delay，单一源互连传输延迟。和MIPD相似，但支持带脉冲控制的传输延迟。

• SPF：Standard Parasitic Format.（标准寄生参数格式）。提取的寄生参数数据的标准格式。

• IOPATH延时：器件从输入端口到输出端口的一个合法路径上的延时

• 惯性延迟：若路径延时小于门的固有延时，信号会被淹没。

• 传输延迟：输入上每个变化都会反映到输出上。

• 模块路径(module path)：穿过模块，连接模块输入(input端口或inout端口）到模块输出(output端口或inout端口）的路径。

• 路径延时(path delay)：与特定路径相关的延时

• 时序检查(timing check)：监视两个输入信号的时间关系并进行检查的系统任务，以保证电路能正确工作。

• 时序驱动设计(timing driven design)：从前端到后端的整个设计流程中，用时序信息连接不同的设计阶段。

• 块延时：将全部延时集中到最后一个门上。这种模型简单但不够精确，只适用于简单电路。因为当到输出端有多个路径时不能描述不同路径的不同延时。

• 分布延时：将延时分散到每一个门。在相同的输出端上，不同的路径有不同的延时。

• 路径延时：在专用的specify块描述模块从输入端到输出端的路径延时。

• SDPD，状态依赖路径延时：在说明的条件成立时赋予路径一个延时。

• NonRecurring-Engineering ( NRE )：集成电路产品的研制开发费，设计人工费，计算机软硬件 设备折旧费以及试制过程中所需的制版、工艺加工、测试分析等研发过程中的一次性开支。

• Wafer Size： 晶圆大小，4英寸， 6英寸，8英寸，12英寸

• Feature size：特征尺寸

• Die size：芯片棵柆尺寸

• Moore’s Law：加工能力每18个月翻一番

• 等效门：一个等效门是一个二输入NAND门

• RTL：寄存器传输级

• HDL：硬件描述语言

• Defect density：缺陷密度，影响成品率

• yield：成品率（良率）

• FPGA：现场可编程阵列

• 系统级设计：确定算法，完成行为级模型并对系统功能进行验证，完成系统软硬件划分，确定系统功能框图。由系统工程师完成。要求系统工程师熟悉硬件设计、软件设计、PCB设计等。主要工具：SPW、matlab等。

• 前端设计：根据系统框图和算法，完成RTL设计及其验证。将RTL设计进行综合，并完成综合后验证，得到门级网表。由前端工程师完成。主要工具：schematic editor、Verilog/VHDL simulator、Synopsys Design Compiler、Power Compiler、Prime Time、DFT、Formality等。

• 后端设计：根据网表及综合约束，完成版图设计及验证。由后端工程师完成，主要工具：ultra/SoC Encounter、 Prime Time /layout editor、DRC、ERC、LVS的Calibra。

• MPW(Multi-Project Wafer）：将多种具有相同工艺的集成电路设计放在同一个硅圆片。

• 仿真器：读入HDL并进行解释及执行的一种软件

• 抽象级：描述方式的详细程度，如行为级和门级

• ASIC：专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit)

• ASIC Vender：芯片制造商，开发并提供单元库

• Bottom-up design flow ：一种先构建底层单元，然后由底层单元构造更大的系统的设计方法

• Top-down design flow ：一种设计方法，先用高抽象级构造系统，然后再设计下层单元

• Tcl：Tool command Language, 向交互程序输入命令的描述语言

• 行为级：用功能块之间的数据流对系统进行描述；在需要时在函数块之间进行调度赋值

• RTL级/功能级：用功能块内部或功能块之间的数据流和控制信号描述系统；基于一个已定义的时钟的周期来定义系统模型

• 结构级/门级：用基本单元(primitive)或低层元件(component)的连接来描述系统以得到更高的精确性，特别是时序方面；逻辑综合时用特定工艺和低层元件将RTL描述映射到门级网表

• primitives(基本单元) : Verilog语言已定义的具有简单逻辑功能的功能模型(models)

• 扇出（fan-out）：是一个定义单个逻辑门能够驱动的数字信号输入最大量的专业术语

• 插入延迟：时钟有效沿从芯片的输入引脚到达负载的时间。

• 时钟倾斜：同一个时钟有效沿到达各个负载的时间差。