 前端设计数字系统设计中有三个重要的设计级别概念：行为级（Behavior Level）、寄存器传输级（Register Transfer Level）和门级（Gate level）。其中，行为级通过行为级算法描述数字系统； 寄存器传输级通过寄存器之间的数据传输进行电路功能设计，例如有限状态机； 门级按AND、OR、NOT、NAND等等描述，通常不会进行门级设计，门级网表一般是通过逻辑综合的输出。 RTL可以用Verilog或VHDL描述。Verilog是一种用于描述数字系统的硬件描述语言（HDL），例如Latches、Flip-Flops、组合逻辑、时序逻辑等。基本上，你可以使用Verilog来描述任何类型的数字系统。设计通常以自顶向下的方式编写，系统具有层次结构，使得设计和调试更容易。verilog模块的基本框架如下： module top_module( input clk, input rst, input [7:0] in_data, output [7:0] out_data ); // Instantiate submodules here // Your code here endmodule 模块实例化（module instance）时，需要指定被实例化的模块名称（例如NAND或INV）、实例名称（在当前模块中唯一标识该实例）和端口连接列表。模块端口连接可以按照位置顺序（位置映射）或者名称对应（命名映射）给出。一般推荐使用命名映射，因为可以避免一些错误。 1.按名称进行端口映射： INV V2(.in(a), .out(abar)); 2.按顺序进行端口映射，这种情况下，端口列表的顺序要和被实例化的模块一致： AND A1(a, b, d); 下面是一个简单的D触发器 Verilog示例代码： module dff (q, d, clk, rst); output q; input d, clk, rst; reg q; always @(posedge clk or posedge rst) if (rst) q <= 0; else q <= d; endmodule 数字电路设计分为组合逻辑和时序逻辑两种。 · 用Verilog编写的代码并不一定都能综合成电路。我们需要保证我们的代码能综合出我们想要的电路。在Verilog中，有些与时间相关的语句是不能综合的。比如，wait, initial, delay等。 · 在Verilog中，可以用always语句块来建模电平敏感和边沿敏感的电路行为。 ·用always语句块建模组合电路时，要注意每个输出都要依赖于敏感列表。如果没有完全指定组合电路，可能会综合出锁存器（latch）。 验证在数字系统设计完成后，要用仿真来验证逻辑功能是否正确。在Verilog中，可以用testbench（测试平台）来检验代码。编写testbench的一些基本原则如下：1、Testbench要实例化设计的顶层模块，并给它提供输入激励（stimulus）。 2、设计（DUT）的输入激励要用'reg'类型声明。'reg'类型的数据可以在always或initial语句块中改变。 3、设计（DUT）的输出要用'wire'类型声明。'wire'类型的数据不能在always或initial语句块中赋值。 4、always和initial语句块是两种时序控制块，它们是并行执行的。initial语句块的一个例子如下： module testbench; // 定义clk和reset信号 reg clk, reset; // 定义被测模块的实例 dut dut_inst( .clk(clk), .reset(reset), // 其他端口 ); // 在initial块中生成clk和reset激励 initial begin // 初始化clk和reset为0 clk = 0; reset = 0; // 等待一段时间后释放reset #10 reset = 1; // 每隔5个时间单位切换clk的值 forever #5 clk = ~clk; end endmodule initial语句块在仿真开始时（时间为0）按照“begin end”之间的语句顺序执行。遇到延迟时，该语句块暂停执行，等待延迟结束后继续执行。上面的代码是一个比较典型的复位和时钟激励生成的代码。 5、系统任务。这些系统任务不会被综合工具识别，所以可以在设计代码中使用它们。系统任务以$符号开头。一些常用的系统任务如下： $display：在仿真过程中，在屏幕上显示文本信息 $stop：暂停仿真。 $finish：结束仿真 $dumpvar，$dumpfile：生成波形文件，保存到指定的文件中。 6、tasks用于实现常用的验证功能。tasks可以有输入，输出，并且可以包含时序控制。下面是一个task的例子： // 定义一个带有时序延迟的task task delay_task; input [7:0] data; // 输入数据 input [3:0] delay; // 输入延迟时间 output [7:0] result; // 输出结果 reg [7:0] result; // 定义寄存器存储结果 begin #delay result = data; // 延迟赋值 $display("data = %b, delay = %d, result = %b", data, delay, result); // 打印结果 end endtask // 定义一个模块调用task module test; reg [7:0] data; // 定义数据信号 reg [3:0] delay; // 定义延迟信号 wire [7:0] result; // 定义结果信号 initial begin data = 8'b10101010; // 初始化数据 delay = 4'd10; // 初始化延迟 delay_task(data, delay, result); // 调用task #20 $finish; // 结束仿真 end endmodule 上面的代码的功能是定义一个带有时序延迟的task，然后在一个模块中调用它。 7、编译指令`timescale设置时间单位和时间精度 `timescale 10ns/1 ns // 单位 10 ns，精度 1 ns 8、 Verilog测试平台可以使用包含C语言描述的编程语言接口（PLI）。 9、 在编写testbench之前，了解设计规范（spec），并且创建所有可能的测试用例列表非常重要。 10、 可以根据波形检查信号值是否正确。 11、 在编写testbench时，可以设置断点，也可以单步执行。 12、 进行功能仿真时，最好进行受约束的随机仿真。受约束的随机仿真可以提供有效输入的随机组合。当随机仿真运行很长时间时，它可以覆盖大部分的corner cases。在verilog中，可以使用$random在testbench中创建随机变量。 13、覆盖率统计：观察存在多少种可能性以及有多少种可能性已经通过仿真。 13.1、行覆盖率：代码中的行仿真覆盖百分比，由仿真工具统计。 13.2、条件覆盖：它检查代码中的各种条件语句覆盖百分比。 13.3、状态机覆盖率：检查状态转换覆盖百分比。 14、 回归测试（Regression）：将新的模块添加到已验证的代码中。回归测试是一种验证方法，用于确保修改或更新后的代码不会影响原有的功能和性能。 仿真目标功能正确：通过验证来验证设计的功能，主要的test cases（主要功能）和corner cases（特殊条件下）。功能正确是仿真的基本要求，确保设计符合规范和预期。例如，可以使用assertions来检查设计的输出是否与预期相符。设计的错误处理：通过验证来检测设计中可能存在的错误或异常情况，并测试设计如何应对或恢复。设计的错误处理是仿真的重要目标，提高了设计的可靠性和安全性。例如，可以使用fault injection来模拟设计中可能发生的故障，并观察设计的反应和行为。 性能：通过验证来评估设计的性能指标，如时延，吞吐量，功耗等，并与设计目标进行比较。性能是仿真的重要目标，影响了设计的效率和优化。例如，可以使用profiling tools来分析设计中各个部分的资源占用和执行时间，并找出性能瓶颈和改进点。 真实世界仿真在软件的功能仿真之后，如何在真实世界中仿真你的设计呢？FPGA原型：加快验证速度。 硬件加速器：将一些可综合的代码映射到FPGA上。其他不可综合的部分，如testbench用仿真工具驱动。当设计非常大时，这种硬件加速验证方法能大幅度提高验证效率。 00004. 后端实现在数字物理设计流程中需要对多个目标进行优化，包括面积，走线长度和功耗，以及需要确保物理实现之后的网表满足设计的时序要求。以下将概述芯片数字后端的基本步骤： 物理设计的第一步是floor planning，定义芯片（die&core）的宽度和高度，也就是芯片的面积。  “core”是芯片的核心区域，用于放置(place)设计的基本逻辑单元。芯片是从晶圆（wafer）上切割出来的，晶圆是一种圆形的硅片，上面可以制造多个芯片(die)。 在布局布线（P&R）阶段，工具会根据约束条件来放置逻辑单元。在正式进行P&R之前，需要先确定一些关键模块的位置，例如RAM，ROM等。这些模块被称为“预放置单元（preplaced cells）”。  将关键模块摆放之后，围绕关键模块摆放Decap（decoupling capacitors）,提高了芯片的可靠性和效率。  在电路原理图中，我们通常只看到一个“Vdd”和一个’Vss’，表示电源和地。但是，在芯片上，我们需要构建一个电源网络，将电源和地分布到各个模块。在floorplan阶段，我们还需要放置引脚（pin）或焊盘（pad），用于与外部设备连接。引脚是模块级别的接口，焊盘是芯片级别的接口。  在floorplan确定（freeze）后，就可以开始布局布线（P&R）了。P&R工具的输入包括综合后的门级网表，时序库，物理库和设计约束。P&R工具根据设计约束（constraints），例如时钟频率，时序裕度（margin），最大电容等，用算法来确定标准单元（Flipflops，AND，OR，BUFFER等）的位置，并把它们放在core里。  假设时钟网络的最大电容限制是2F。看看上面的图，时钟节点’B’连着4个触发器的’clk’脚。假设每个触发器的’clk’脚的电容是1F。那么，PNR工具就会算出节点’B’的总电容是4F。然后它会把这个电容和约束文件里的最大电容2F比较。 因为节点’B’的电容超过了2F，工具就会用2个buffer把节点’B’的负载分开，就像图上那样。它从库里选buffer（假设每个buffer的输入电容是1F），并建一个树（时钟树），来满足设计的最大电容约束。这个过程叫做’时钟树综合（Clock tree synthesis）'。  最后，物理设计完成后，PNR工具会对原来的网表做一些修改。比如：加buffer，调整单元大小(size)等。然后，可以提取电阻和电容的值RC（resistances、capacitance），把它们保存在一个文件里，一般叫做SPEF（Standard Parasitic Extraction Format）文件。 最后，要用静态时序分析（STA）工具做timing sign off。静态时序分析（STA）工具会检查设计的各条路径是否符合约束文件里的时序要求，包括建立时间检查，保持时间检查，最大电容检查和过渡时间检查等（Setup check,Hold check, Max Capacitance check 和 Transition Check）。 设计约束3、指定设计约束 SDC（Synopsys Design Constraints）是一种基于Tcl的格式。SDC文件里的所有命令都遵循Tcl的语法规则。SDC文件用来告诉EDA工具设计的意图，包括时序、面积和功耗等。SDC文件包含以下信息： •版本（可选） •单位（可选） •约束值 •约束对象 •注释（可选） SDC文件里不包含加载或链接设计的命令。所以，在读取SDC文件之前必须先读取你的设计。 1、指定SDC版本 如果没有指定SDC版本，那么版本就取决于读取SDC文件的EDA工具。为了保证SDC文件在不同工具之间的兼容性，可以在文件开头用以下命令指定SDC版本： set sdc_version value 2、指定SDC单位 set_units命令指定SDC文件里的电容，电阻，时间，电压，电流和功耗等单位。 3、指定设计约束 用约束命令来指定设计约束。如果命令太长，可以用反斜杠字符（\）把命令分成多行。SDC约束命令有下表这些。   4、指定约束对象 大多数约束命令都需要设计对象作为命令参数。 如果当前设计中有一个名为U1的单元，可以通过命令 [get_cells U1] 找到。下表SDC格式中寻找设计对象的命令。  同时，可以使用Tcl列表或通配符（？、*）指定多个对象。默认情况下，当前设计约束的参考点是顶级设计。我们可以使用分隔符（/）来约束层次结构化设计。 5、添加注释 可以使用＃将注释添加到SDC文件中。 例如， # This is an SDC comment line. create_clock -period 10 [get_ports CLK] ; #comment fragment 6、管理大型项目SDC文件 当设计非常大时，SDC文件可能会得很大。减少SDC文件大小的一种方法是压缩文件 read_sdc命令自动检测gzip压缩文件并解压缩，然后读取它们的文件。例如， read_sdc design.sdc.gz |
