专用集成电路设计实用教程
IC设计经典教材，《专用集成电路设计实用教程》专用集成电路设计实用教程虞希清编著大學出瓶社图书在版编目(CIP)数据专用集成电路设计实用教程/虞希清编著.一杭州:浙江大学出版社,2007.1ISBN978-7-308-05113-2专..Ⅱ.虞..Ⅲ.集成电路一电路设计一高等学校一教材Ⅳ.TN402中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第165341号专用集成电路设计实用教程虞希清编著任编辑张真封面设计张真出版发行浙江大学出版社(杭州天目山路148号邮政编码310028)(E-mail:zupress@mail,hz,zj.cn)(网址http://www.zjupress.com排版杭州好友排版工作室印刷杭州浙大同力教育彩印有限公司开本787mm×1092mm1/16印张18.25字数467千印数2001-3000版印次207年1月第1版2007年7月第2次印刷书号ISBN978-7-30805113-2定价38.00元版权所有翻印必究印装差错负责调换内容提要在现代的IC设计中,工程师们广泛地使用数字电路的逻辑综合技术。工程师们使用RTL代码和IP描述设计的功能,进行高级设计,用综合工具对设计进行编辑和优化,以实现满足设计目标的电路。根据多年为客户进行技术培训,技术支持和IC设计的经验,笔者编写了本书。书中主要介绍了IC设计的基本概念,设计流程和设计方法,并就工程师们在设计中常见的问题,提供了解决方法。本书的特点是实用性强全书共分九章,第一章概述EC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。前言本书在 Synopsys公司的逻辑综合培训资料基础上编写而成。从事EDA工作和ASIC设计已有十几年了。在给中港台ASIC设计工程师提供的技术培训和支持中,工程师们曾提出了设计和使用设计工具中遇到的各种各样的问题。教学相长,在和工程师讨论问题、提供解决方案的过程中,我得到了很多的经验和启发。在为用户解决一些实际问题,为他们提供培训后,我曾收到热情的掌声和感谢信。用户的掌声和谢意给了我很大的鼓励和鞭策,使我下决心要编写一本实用的中文版的集成电路设计教程和手册,以答谢用户们的支持和帮助。本书讲究实用性,希望其中的内容能帮助ASIC设计工程师清楚明了IC设计的基本概念,IC设计的流程,逻辑综合的基本概念和设计方法,解决进行IC设计时和工具使用时所遇到的问题。全书共分九章,第一章概述IC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路的优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。在本书的编写过程中,得到了 Synopsys中国区高级技术经理常绍军先生的大力支持。常绍军先生、资深的应用技术顾问李昂先生和冯源先生审阅了本书,并提出了宝贵的意见和建议。在此,表示衷心的感谢。在本书编写过程中,得到了全家的支持,深表谢意!由于时间仓促,知识水平有限,书中难免有不足和错误之处,敬请各位专家,IC设计工程师和同行们批评指正,不胜感激。来函可发电子邮件( Email: victory_snps@ yahoo.com.hk)。虞希清2006年11月于 Synopsys香港目录第一章集成电路设计概论1.1摩尔定律………………∴…………11.2集成电路系统的组成1.3集成电路的设计流程第二章数字电路的高级设计和逻辑综合132.1RTL硬件描述语言设计132.1.1行为级硬件描述语言( Behavioral Level hdi)132.1.2寄存器传输级硬件描述语言( RTL HDI)172.1.3结构化硬件描述语言( Structure HDL)………………………………232逻辑综合(L。 gic Synthesis)…………………272.2.1逻辑综合的基本步骤…282.2.2综合工具 Design Compiler302.2.3目标库和初始环境设置鲁·自自音甲·是着音鲁备.··非曲●d■···●····第三章系统的层次化设计和模块划分353.1设计组成及 DC- Tcl…·自音···········日·········.···卡器日音是·晶自鲁bt·。……353.1.1设计物体( Design Object)鲁音自353.1.2 DC - Tcl简介香看·鲁·鲁·鲁.鲁自春3.2层次( Hierarchy)结构和模块划分( Partition)及修改463.2.1层次结构的概念463.2.2模块的划分…息鲁483.2.3模块划分的修改·看。51第四章电路的设计目标和约束…°。●看。面●554.1设计的时序约束…普·非鲁·鲁击曲■554.1.1同步( Synchronous)电路和异步( Asynchronous)电路…4.1.2亚稳态( Metastability)574.1.3单时钟同步设计的时序约束…血D。e574.1.4设计环境的约束724,1.5多时钟同步设计的时序约束…………794.1.6异步设计的时序约束832专用集成电路设计实用教程4.1.7保持时间( Hold Time)854.2复杂时序约束看香鲁e鲁曲鲁。自鲁自。a。自鲁自。鲁4.2.1多时钟周期( Multi-Cycle)的时序约束874.2.2门控时钟的约束904.2.3分频电路和多路传输电路的时钟约束鲁·看看看鲁924.3面积约束……………………………96第五章综合库和静态时序分析…985.1综合库和设计规则···········.······.··4·a·.·····◆···—985.1.1综合库……5.1.2设计规则1075.2静态时序分析5.2.1时序路径和分组1125.2.2时间路径的延迟1145.2.3时序报告和时序问题的诊断鲁·.···.·自击击合音。甲。。。●。。●……115第六章电路优化和优化策略…1206.1电路优化..···4····;··.·.·.·.·a·a·;··1226.1.1 Synopsys的知识产权库- Design Ware1236.1.2电路优化的三个阶段………………………1266.2优化策略…………1346.2.1编辑策略垂由d垂……1356.2.2自动芯片综合( Automated Chip Synthesis)………………………………1416.3网表的生成格式及后处理144第七章物理综合1487.1逻辑综合(L。 gic Synthesis)遇到的问题……………………1487.2物理综合( Physical Synthesis)的基本流程鲁鲁自谁…………………………1517.3逻辑综合的拓扑技术( Topographical Technology)…………162第八章可测试性设计…1748.1生产测试简介…………1748.2可测试性设计鲁D曹吾音·非·自·········着4鲁4鲁是1768.2.1物理瑕疵和故障模型1768.2.2D算法( D algorithm)1788.3测试协议( Test protocol)1858.4测试的设计规则·●鲁q鲁·音鲁鲁D鲁香曹音音音·自自··。·非鲁曲··●1908.4.1可测试性设计中的时钟信号1908.4.2三态总线和双向端口的测试。非……………………198录8.5门级网表可测试问题的自动修正2048.6扫描链的插入2088.7可测试设计的输出和流程2228.8自适应性扫描压缩技术………225第九章低功耗设计和分析2299.1工艺库的功耗模型…………2319.2功耗的分析…鲁鲁鲁……………2379.3低功耗电路的设计和优化2519.3.1门控时钟电路25293.2操作数分离………2619.3.3门级电路的功耗优化●·4·■D鲁曹春击自由2669.3.4多个供电电压( Multi-VDD)…2749.3.5电源门控………276参考文献……………………281第一章集应电路设计概记集成电路( Integrated Circuits)是现代电子设备的重要组成部分。因此,成功设计集成电路对整个电子信息技术产业的发展起到重要的作用。由于科技的发展,半导体芯片的集成化程度越来越高,设计的系统越来越复杂,规模越来越大,设计的性能越来越髙,功耗也越来越大,这些不断地给芯片设计工程师和电子设计自动化( Electronics Design Automation,简称EDA)厂商提出新的课题和挑战。1.1摩尔定律摩尔提出著名的“摩尔定律”已经40多年了。1965年4月,摩尔在《电子学( Electronics)》杂志上发表文章预言,半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。1975年,他又提出修正说,芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。晶体管数量MOORES LAWIntels Tanuma 2 Processo1000000000ante△nmtele Pentium Pr100000000Intels Pentium m Processoitels Pentium Pro10000000Intelstuma Printels*v Proces1000000Intel388 pre28610000080801000080084004●100019701975198019851990199520002005年度图1.1.1图1.1.1为在过去25年, ntel CPu中晶体管增长的情况。集成电路的规模不断地稳
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卡尔曼滤波
提供了kf，ekf，ukf的详细推导过程，从标量推导开始，进而转入矢量推导，非常详细卡尔曼滤波器简介(阎泓著第一步、时间更新29第二步、测量更新“““““““+““44““““42924特殊情况.30第一种情况、先验误差极小...-.----130第二种情况、先验误差极大.30第三种情况、测量噪声极大.…31第三章、标量EKF画,通通画4“““““+44=“++“““++4“4“+“4“““-“++323.1非线性状态模型.323.2模型线性化33.2.1过程噪声项的线性化.333.2.2测量噪声项的线性化...11-343.2.3过程和测量噪声项同时线性化…35324过程的线性化…0353.25测量的线性化…363.3EKF滤波器…1373.31应用卡尔曼滤波器.3733,2计算先验均方差373.33计算后验均方差373.3.4计算k值4a“44444“;4444454a44“44444=424444441“如44444;44444“44.45“#4444444a444444443833.5k值为最优时的后验均方差3834算法39第一步、时间更新………9第二步、测量更新393.5EKF的缺陷44“==++++4=++44日+“44=“““+440第四章、矢量EKF4141非线性矢量状态模型4142矢量模型线性化单“““·***“““***“““““***“““***4““-***4““*“→“““*→*-““““““*“““*+4““→*“·““·““““*4242.1矢量泛函的泰勒展开42.2过程噪声项的线性化424.2.3测量噪声项的线性化.→“““#+4+“44“““-4+44→“““4“4+-““+43424过程和测量噪声项同时线性化4442.5过程的线性化4“““4““*“4““*→““*+“4“““““““*4“““4“““++4““44“““4“44““““七426测量的线性化“““““·+““““*““““+“““““““+4“““““““+4“““→·“““+“4543矢量EKF滤波器面面面面46画面和面面,43.1应用矢量卡尔曼滤波器44““++“44“““*44“““++444““4+444“+“44““““+444643.2计算先验均方差4643.3计算后验均方差4““+44““““44““““+→4““““+4““““4“44““““.47434计算k值47435k值为最优时的后验均方差4845算法“““+““““*“““““+…““““*“+44““48第一步、时间更新.…49第3页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第二步、测量更新““4--““44-4494.4特殊情况.““““4444“画画新通画通49第一种情况、先验误差极小.画画,画画画园画画,画画画面请通.50第二种情况、先验误差极大….----50第三种情况、测量噪声极大44“““+44““=++“44“““+444““4+“44““44+50第五章、标量无迹变换UT5251无迹变换的任务5252真值“““““++“++4“4“““+4“++4“““““+““+“““““525.3无迹测试点1101453.1标量的无迹测试点………154532无迹权重系数翻国口道55533统计性质公式…5554测试点的无迹变换.565.4.1从测试点得到后验期待值.画画通通画画山通画画新56542从测试点得到后验方差“““+4“++“4“++““平““上“““4““平中“+““““平“4+“=575.5讨论品aB444a日日+44日4日日“4日a4日+a日本“日日日和本上日和4日““458第六章矢量无迹变换UT4“““4“44“““4++44“““4+““4+2+“++“4“++4=“++“““2++““““++““4+““““++5961矢量微分回顾5961.1计算真值会用到的恒等式1962矢量无迹变换的任务中本““丰二“中““6063真值6163无迹测试点63.1矢量的无迹测试点画面通自品面画画面自自通国画日画面国通画日通山国国画山山面通画山山丽右日日画画画画画山63632无迹权重系数64633UT变换下的对称性64测试点的无迹变换6564.1几个恒等式…65642从测试点得到后验期待值.…---1----66642从测试点得到后验协方差.6765讨论68第七章、无迹滤波器UKF11116971高维非线性问题.069711标量特例画画画画画画新画画画画画画““*#“““““44“…4“““““4““+““→““““44““47072无迹滤波器面,面面面面面面面“面画70721无迹测试点““*4“““““44““+44““““*44“““++444“““4““+“44“““““722无迹权重系数通画画通画画通通画画通山请画画画画画画出画请画画副。723先验估计画画·画‘画4““+44““““44““““+→4““““+““““+“444““““+472724应用卡尔曼滤波器737.2.5计算后验均方差…737.2.6计算k值…444““+44“““*447473算法75第4页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第零步、初始化..-75第一步、时间更新175第二步、测量更新画画,画画画园画画,画画画面请通176第5页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第一章、标量线性系统实际工作中的线性系统很少有标量的,但是标量的卡尔曼滤波器的理论推导比较直观、易于理解,因此作为学习的切入点比较合适首先必须清楚地陈述卡尔曼滤波器要解决的问题。1.1卡尔曼问题在离散时间中,一个标量线性系统的状态演化常常可以表述为下面的随机差分方程式:x=ax,+bu其中t为时间。x,是一个标量随机变量,代表t时刻系统的内禀状态。a和b为常标量。u,为t-1时刻的输入,也是一个标量。111信号流程图上面的(1)式也可以用下面的信号流程图表示u-1)X()Ibax(t-1)直线表示信号的传送,箭头代表传送的方向。流程图中的图标有三种,第一种方框图标代表时间延迟,见下图x(t)TX(t-1)第二种方框图标代表乘法(增益),见下图第6页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著aax第三种圆形图标代表加法(混合),见下图a-b+CbG这些图标可以按照有意义的方式组合起来,描述一个差分方程。必须指出,这些图标并不局限于标量情形,而且适用于矢量情形,譬如x为一个矢量,而a和b可以为矩阵。112加入白噪声假设在这个线性过程中有一个噪声项v鬟x2=ax21+bu-1+W1-1则此方程式可以用下面的信号流程图表示w(t=1)u(-1)中+baX(-1)假定这个噪声ν是一个高斯白噪声,它满足3N(9),(Q20)〈ww)=0(≠)3在本文采用物理学中常用的记号,(x)=E(x)表示x的期待值第7页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著此外假定w与u.没有关联,也即113加入可测量假设系统的状态量x是不可以直接测量的。可以测量的是另外一个量z,称为可测量。可测量z依赖于系统的状态量x和一个激励倍数h,见下式。hx. +v(5)在实际工作中h可能会随着时间而变化,但在这里假定为常数,为常标量。此时流程图如下。wt-1)u(t-1)+b±2(ax(t-1)测量过程本身带有一个噪声ν,影响了测量的准确度。同样我们假定ν是一个白噪声(,R)(R≥0)(")≥=0(s≠)此外假定ν与w和u都没有关联,也即()=v)=0(s1)114卡尔曼问题陈述现在要考虑的是如何从可观测量z;的观测数据中得出x的最优估计值,把噪声w和v尽最大可能过滤出去,把它们的影响减到最小。这就是卡尔曼滤波器要解决的问题。1.2标量卡尔曼滤波器卡尔曼对这个问题的解答就是卡尔曼滤波器。下面的流程图可以分成上下两个部分:上半部分就是问题本身,下半部分就是卡尔曼滤波器。第8页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著u(-1)X()bh+(aX(t-1)bb(()2()+ak文-b)+Residual在图中,z1代表实际测量值,x代表过程的真值。此外在卡尔曼滤波器的流程图中出现了几种新的符号,分别是x代表先验估计( A priori estimate),和E代表后验估计(A posteriori estimate)4.对一个随机变量当前值的先验估计是根据前一个时刻以及更早的历史观测信息所作出的估计:后验估计是根据当前时刻以及更早的历史观测信息所作出的估计。x1的先验估计是由上一个时间点的后验估计值和输入信息给出的,x,=ax+ bur-p卡尔曼使用x的先验估计给出可测量E的(先验估计)预测5,而z,的实际测得值与预测值之间的差称为滤波过程的革新( nnovation)或者残余( Residua,即Residual=(10)本文采取通用的符号,以表示对某变量y在t时刻的后验估计,而表示对y的先验估计。在某些文献中y又记作y(|t-1),又记作y(t|t)5对于z,而言后验估计没有意义。z,是可观测量,在后验时刻已经有实际观测值了。第9页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著残余反映了预测值和实际值之间的差别。残余为零的话,估计值和实际值完全吻合。如果残余很小,表明估计值很好,反之就不好。卡尔曼滤波器可以利用残余的这一信息改善对x,的估计,给出后验估计。也就是x=x:+k(Residual)=*+k(z,-hR-其中的k称作卡尔曼增益或卡尔曼混合系数( Blending factor)现在剩下的问题就是如何找到k的值,使得估计为最优。为此需要定义先验均方差和后验均方差。121最优的k值先验误差和后验误差分别定义为(12)它们的方差就是先验均方差和后验均方差P≡varP, =vale(13)最优的k值是使后验均方差为最小的值,就是下式成立时的k值(14)ak122计算先验均方差先验均方差为≡war(15)因为(2)式及(8)试式x,=ax_+ bu+we=ax+bu可得e:=x-x=ax+bu +w_)-(ax +bur=a(xx_1)+W因此第10页(共77页)
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