集成电路设计基础知识解析( 二 ) _电路基础知识

从抽象级别来说，数字集成电路设计可以是自顶向下的，即先定义了系统最高逻辑层次的功能模块，根据顶层模块的需求来定义子模块，然后逐层继续分解；设计也可以是自底向上的，即先分别设计最具体的各个模块，然后如同搭积木一般用这些最底层模块来实现上层模块，最终达到最高层次。在许多设计中，自顶向下、自底向上的设计方法学是混合使用的，系统级设计人员对整体体系结构进行规划，并进行子模块的划分，而底层的电路设计人员逐层向上设计、优化单独的模块。最后，两个方向的设计人员在中间某一抽象层次会合，完成整个设计。
硬件实现
对于不同的设计要求，工程师可以选择使用半定制设计途径，例如采用可编程逻辑器件（现场可编程逻辑门阵列等）或基于标准单元库的专用集成电路来实现硬件电路；也可以使用全定制设计，控制晶体管版图到系统结构的全部细节。
全定制设计
这种设计方式要求设计人员利用版图编辑器来完成版图设计、参数提取、单元表征，然后利用这些自己设计的单元来完成电路的构建。通常，全定制设计是为了最大化优化电路性能。如果标准单元库中缺少某种所需的单元，也需要采取全定制设计的方法完成所需的单元设计。不过，这种设计方式通常需要较长的时间。
半定制设计
与全定制设计相对的设计方式为半定制设计。简而言之，半定制集成电路设计是基于预先设计好的某些逻辑单元。例如，设计人员可以在标准组件库（通常可以从第三方购买）的基础上设计专用集成电路，从中选取所需的逻辑单元（例如各种基本逻辑门、触发器等）来搭建所需的电路。他们也可以使用可编程逻辑器件来完成设计，这类器件的几乎所有物理结构都已经固定在芯片之中，仅剩下某些连线可以由用户编程决定其连接方式。与这些预先设计好的逻辑单元有关的性能参数通常也由其供应商提供，以方便设计人员进行时序、功耗分析。在半定制的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）上实现设计的优点是开发周期短、成本低。
可编程逻辑器件
可编程逻辑器件通常由半导体厂家提供商品芯片，这些芯片可以通过JTAG等方式和计算机连接，因此设计人员可以用电子设计自动化工具来完成设计，然后将利用设计代码来对逻辑芯片编程。可编程逻辑阵列芯片在出厂前就提前定义了逻辑门构成的阵列，而逻辑门之间的连接线路则可以通过编程来控制连接与断开。随着技术的发展，对连接线的编程可以通过EPROM（利用较高压电编程、紫外线照射擦除）、EEPROM（利用电信号来多次编程和擦除）、SRAM、闪存等方式实现。现场可编程逻辑门阵列是一种特殊的可编程逻辑器件，它的物理基础是可配置逻辑单元，由查找表、可编程多路选择器、寄存器等结构组成。查找表可以用来实现逻辑函数，如三个输入端的查找表可以实现所有三变量的逻辑函数。
专用集成电路
针对特殊应用设计的专用集成电路（ASIC）的优点是面积、功耗、时序可以得到最大程度地优化。专用集成电路只能在整个集成电路设计完成之后才能开始制造，而且需要专业的半导体工厂的参与。专用集成电路可以是基于标准单元库，也可以是全定制设计。在后一种途径中，设计人员对于晶圆上组件的位置和连接有更多的控制权，而不像可编程逻辑器件途径，只能选择使用其中部分硬件资源，从而造成部分资源被浪费。专用集成电路的面积、功耗、时序特性通常可以得到更好的优化。然而，专用集成电路的设计会更加复杂，并且需要专门的工艺制造部门（或者外包给晶圆代工厂）才能将GDSII文件制造成电路。一旦专用集成电路芯片制造完成，就不能像可编程逻辑器件那样对电路的逻辑功能进行重新配置。对于单个产品，在专用集成电路上实现集成电路的经济、时间成本都比可编程逻辑器件高，因此在早期的设计与调试过程中，常用可编程逻辑器件，尤其是现场可编程逻辑门阵列；如果所设计的集成电路将要在后期大量投产，那么批量生产专用集成电路将会更经济。

集成电路设计基础知识解析( 二 )

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