作者：zgezi

一、SoC設計的特點

一個完整的SoC設計包括系統(tǒng)結構設計（也稱為架構設計），軟件結構設計和ASIC設計（硬件設計）。

SoC設計與傳統(tǒng)的ASIC設計最大的不同在于以下兩方面：

SoC設計更需要了解整個系統(tǒng)的應用，定義出合理的芯片架構，使得軟硬件配合達到系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)。因而，軟硬件協(xié)同設計被越來越多地采用。

SoC設計是以IP復用或更大的平臺復用為基礎的。因而，基于IP 復用的設計是硬件實現(xiàn)的特點。

二、軟硬件協(xié)同設計流程

SoC（System on Chip）通常被稱作系統(tǒng)及芯片或者片上系統(tǒng)，作為一個完整的系統(tǒng)，其包含了硬件和軟件兩部分內容。這里硬件指SoC芯片部分，軟件指運行在SoC芯片上的系統(tǒng)及應用程序。所在在進行設計時需要同時從軟件和硬件的角度去考慮。

傳統(tǒng)的設計中，設計工程師很難對結構在系統(tǒng)層次上進行詳細評估，隨著設計的細節(jié)化，要改變系統(tǒng)架構變得更加困難。此外，由于仿真速度的限制，軟件開發(fā)難以在這種詳細的硬件平臺上進行，所以采用傳統(tǒng)的設計流程進行SoC設計可能會存在產品設計周期長，芯片設計完成后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)架構存在問題等。

軟硬件協(xié)同設計指的是軟硬件的設計同步進行，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)級設計（ESL Electronic System Leverl Design）工具的發(fā)展，軟硬件協(xié)同設計逐漸被采用。這種方法使得軟件設計者在硬件設計完成之前就可以獲得軟件開發(fā)的虛擬硬件平臺，在虛擬平臺上開發(fā)應用軟件，評估系統(tǒng)架構設計。

2.1 系統(tǒng)需求說明

系統(tǒng)設計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)時間等。在這一階段，通常會將用戶的需求轉換為用于設計的技術文檔，并初步確定系統(tǒng)的設計流程。

2.2 高級算法建模與仿真

設計者將使用如C和C++等高級語言創(chuàng)建整個系統(tǒng)的高級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。此類文檔會隨著設計進程的深入而不斷地完善和細化。

2.3 軟硬件劃分過程

設計者通過軟硬件劃分來決定哪些功能應該由硬件完成，哪些功能應該由軟件來實現(xiàn)。這是一個需要反復評估-修改直至滿足系統(tǒng)需求的過程。

2.4 軟硬件同步設計

由于軟硬件的分工已明確，芯片的架構及同軟件的接口也已定義，接下來便可以進行軟硬件的同步設計了。其中硬件設計包括RTL設計和集成、綜合、布局布線及最后的流片。軟件設計則包括算法優(yōu)化、應用開發(fā)，以及操作系統(tǒng)、接口驅動和應用軟件的開發(fā)。

三、基于標準單元的SoC芯片設計流程

硬件設計定義說明（Hardware Design Specification）
? 硬件設計定義說明描述芯片總體結構、規(guī)格參數(shù)、模塊劃分、使用的總線，以及各個模塊的詳細定義等。

模塊設計及IP復用（Module Design & IP Reuse）
? 對于需要重新設計的模塊進行設計；對于可復用的IP核，通常由于總線接口標準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不同的功能模塊，包括新設計的與復用的整合在一起，形成一個完整的設計。通常采用硬件描述語言對電路進行描述，其中需要考慮系統(tǒng)時鐘/復位、I/O環(huán)等問題。

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

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計的電路自動轉換成特定工藝下的網(wǎng)表，即從RTL級的HDL描述通過編譯與優(yōu)化產生符合約束條件的門級網(wǎng)表。

版圖布局規(guī)劃（Floorplan）
? 版圖布局規(guī)劃完成的任務是確定設計中各個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行放置；
供電設計，設計整個版圖的供電網(wǎng)絡，基于電壓降（IR Drop）和電遷移進行拓撲優(yōu)化。

功耗分析（Power Analysis）
? 在設計中的許多步驟都需要對芯片功耗進行分析，從而決定是否需要對設計進行改進。
? 在版圖布局規(guī)劃后，需要對電源網(wǎng)絡進行功耗分析（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，需要對整個版圖的布局進行動態(tài)功耗分析和靜態(tài)功耗分析。
? 除了對版圖進行功耗分析以外，還應通過仿真工具快速計算動態(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)化主要定義每個標準單元的擺放位置并根據(jù)擺放的位置進行優(yōu)化。

靜態(tài)時序分析（STA，Static Timing Analysis）
? STA是一種靜態(tài)驗證方法
? 通過對提取電路中所有路徑上的延遲等信息的分析，計算出信號在時序路徑上的延遲，找出違背時序約束的錯誤，如檢查建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）是否滿足要求。

形式驗證（Formal Verification）
? 形式驗證也是一種靜態(tài)驗證方法。
? 在整個設計流程中會多次引入形式驗證用于比較RTL代碼之間、門級網(wǎng)表與RTL代碼之間，以及門級網(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）
? 可測性設計是SoC設計中的重要一步。通常，對于邏輯電路采用掃描鏈的可測試結構，對于芯片的輸入/輸出端口采用邊界掃描的可測試結構?；舅枷胧峭ㄟ^插入掃描鏈，增加電路內部節(jié)點的可控性和可觀測性，以達到提高測試效率的目的。一般在邏輯綜合或物理綜合后進行掃描電路的插入和優(yōu)化。

時鐘樹綜合（Clock Tree Synthesis）
? SoC設計方法強調同步電路的設計，即所有的寄存器或一組寄存器是由同一個時鐘的同一個邊沿驅動的。構造芯片內部全局或局部平衡的時鐘鏈的過程稱為時鐘樹綜合。分布在芯片內部寄存器與時鐘的驅動電路構成了一種樹狀結構，這種結構稱為時鐘樹。時鐘樹綜合是在布線設計之前進行的。

布線設計（Routing）
? 這一階段完成所有節(jié)點的連接。

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

后仿真（Post-layout Simulation）
? 后仿真也叫門級仿真、時序仿真、帶反標的仿真，需要利用在布局布線后獲得的精確延遲參數(shù)和網(wǎng)表進行仿真，驗證網(wǎng)表的功能和時序是否正確。后仿真一般使用標準延時（SDF，Standard Delay Format)文件來輸入延時信息。

ECO修改（ECO，Engineering Change Order）
? ECO修改是工程修改命令的意思。
? 這一步實際上是正常設計流程的一個例外。當在設計的最后階段發(fā)現(xiàn)個別路徑有時序問題或邏輯錯誤時，有必要通過ECO對設計的局部進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設計中，ECO修改是一種有效、省時的方法，通常會被采用。

物理驗證（Physical Verification）
? 物理驗證是對版圖的設計規(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用以確認電路版圖網(wǎng)表結構是否與其原始電路原理圖（網(wǎng)表)一致。

來源：電子創(chuàng)新網(wǎng)

審核編輯黃昊宇