SoC設計方法與實現(第2版)（簡體書）

《SoC設計方法與實現(第2版)》是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，并被評為2008年度普通高等教育精品教材。《SoC設計方法與實現(第2版)》結合SoC設計的整體流程，對SoC設計方法學及如何實現進行了全面介紹。全書共分14章，主要內容包括：SoC的設計流程、SoC的架構設計、電子級系統設計、IP核的設計與選擇、RTL代碼編寫指南、先進的驗證方法、低功耗設計技術、可測性設計技術及後端設計的挑戰。書中不僅融入了很多來自于工業界的實踐經驗，還介紹了SoC設計領域的最新成果，可以幫助讀者掌握工業化的解決方案，使讀者能夠及時了解SoC設計方法的最新進展。

郭煒，研究員。1982年獲大連海事大學電子工程學士學位。1991年獲美國路易斯安那州立大學電子工程學碩士學位，1991-2003年，任職于Motorola公司芯片設計部，曾任首席主任工程師(PrincipalStaffEngineer)，研發項目負責人成功地負責過多個大規模設計項目的研發，具有豐富的IC設計及項目管理經驗。2004-2007年任上海交通大學研究員。2007年10月至今，任天津大學研究員。自加入高校工作以來，一直從事SoC設計相關課程的教學及科研項目的研發和產業化開拓.主要研究方向：計算機系統結構。SoC設計、微處理器設計等。

《SoC設計方法與實現(第2版)》是國家精品教材,普通高等教育“十一五”國家級規劃教材,電子科學與技術專業規劃教材之一。

第1章 SoC設計緒論
1.1 微電子技術概述
1.1.1 集成電路的發展
1.1.2 集成電路產業分工
1.2 SoC概述
1.2.1 什么是SoC
1.2.2 SoC的優勢
1.3 SoC設計的發展趨勢及面臨的挑戰
1.3.1 SoC設計技術的發展與挑戰
1.3.2 SoC設計方法的發展與挑戰
1.3.3 未來的SoC
本章參考文獻

第2章 SoC設計流程
2.1 軟硬件協同設計
2.2 基于標準單元的SoC芯片設計流程
本章參考文獻

第3章 SoC設計與EDA工具
3.1 電子系統級設計與工具
3.2 驗證的分類及相關工具
3.2.1 驗證方法的分類
3.2.2 動態驗證及相關工具
3.2.3 靜態驗證及相關工具
3.3 邏輯綜合及綜合工具
3.3.1 EDA工具的綜合流程
3.3.2 EDA工具的綜合策略
3.3.3 優化策略
3.3.4 常用的邏輯綜合工具
3.4 可測性設計與工具
3.4.1 測試和驗證的區別
3.4.2 常用的可測性設計
3.5 布局布線與工具
3.5.1 EDA工具的布局布線流程
3.5.2 布局布線工具的發展趨勢
3.6 物理驗證及參數提取與相關的工具
3.6.1 物理驗證的分類
3.6.2 參數提取
3.7 著名EDA公司與工具介紹
3.8 EDA工具的發展趨勢
本章參考文獻

第4章 SoC系統結構設計
4.1 SoC系統結構設計的總體目標與各個階段
4.1.1 功能設計階段
4.1.2 應用驅動的系統結構設計階段
4.1.3 平臺導向的系統結構設計階段
4.2 SoC中常用的處理器
4.2.1 通用處理器
4.2.2 DSP
4.2.3 可配置處理器
4.2.4 不同處理器的選擇
4.3 SoC中常用的總線
4.3.1 AMBA總線
4.3.2 CoreConnect總線
4.3.3 Wishbone總線
4.3.4 AVALON總線
4.3.5 開放核協議
4.3.6 復雜的片上總線結構
4.4 SoC中典型的存儲器
4.5 多核SoC的系統結構設計
4.5.1 可用的并發性
4.5.2 多核SoC設計中的系統結構選擇
4.5.3 多核SoC的性能評價
4.5.4 幾種典型的多核SoC系統結構
4.6 SoC中的軟件結構
4.7 電子系統級（ESL）設計
4.7.1 ESL發展的背景
4.7.2 ESL設計基本概念
4.7.3 ESL設計的流程
4.7.4 ESL設計的特點
4.7.5 ESL設計的核心——事務級建模
4.7.6 事務級建模語言簡介及設計實例
4.7.7 ESL設計的挑戰
本章參考文獻

第5章 IP復用的設計方法
5.1 IP的基本概念和IP分類
5.2 IP設計流程
5.2.1 設計目標
5.2.2 設計流程
5.3 IP的驗證
5.4 IP核的選擇
5.5 IP市場
5.6 IP復用技術面臨的挑戰
5.7 IP標準組織
5.8 基于平臺的SoC設計方法
5.8.1 平臺的組成與分類
5.8.2 基于平臺的SoC設計方法流程與特點
5.8.3 基于平臺的設計實例
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第6章 RTL代碼編寫指南
6.1 編寫RTL代碼之前的準備
6.1.1 與團隊共同討論設計中的問題
6.1.2 根據芯片結構準備設計說明書
6.1.3 總線設計的考慮
6.1.4 模塊的劃分
6.1.5 對時鐘的處理
6.1.6 IP的選擇及設計復用的考慮
6.1.7 對可測性的考慮
6.1.8 對芯片速度的考慮
6.1.9 對布線的考慮
6.2 可綜合RTL代碼編寫指南
6.2.1 可綜合RTL代碼的編寫準則
6.2.2 利用綜合進行代碼質量檢查
6.3 調用Synopsys DesignWare來優化設計
本章參考文獻

第7章 同步電路設計及其與異步信號交互的問題
7.1 同步電路設計
7.1.1 同步電路的定義
7.1.2 同步電路的時序收斂問題
7.1.3 同步電路設計的優點與缺陷
7.2 全異步電路設計
7.2.1 異步電路設計的基本原理
7.2.2 異步電路設計的優點與缺點
7.3 異步信號與同步電路交互的問題及其解決方法
7.3.1 亞穩態
7.3.2 異步控制信號的同步及其RTL實現
7.3.3 異步時鐘域的數據同步及其RTL實現
7.4 SoC設計中的時鐘規劃策略
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第8章 綜合策略與靜態時序分析方法
8.1 邏輯綜合
8.1.1 什么是邏輯綜合
8.1.2 流程介紹
8.1.3 SoC設計中常用的綜合策略
8.2 物理綜合的概念
8.2.1 物理綜合的產生背景
8.2.2 操作模式
8.3 實例——用Synopsys的工具Design Compiler (DC)進行邏輯綜合
8.3.1 指定庫文件
8.3.2 讀入設計
8.3.3 定義工作環境
8.3.4 設置約束條件
8.3.5 設定綜合優化策略
8.3.6 設計腳本舉例
8.4 靜態時序分析
8.4.1 基本概念
8.4.2 實例——用Synopsys的工具PrimeTime進行時序分析
8.5 統計靜態時序分析
8.5.1 傳統的時序分析的局限
8.5.2 統計靜態時序分析的概念
8.5.3 統計靜態時序分析的步驟
本章參考文獻

第9章 SoC功能驗證
9.1 功能驗證概述
9.1.1 功能驗證的概念
9.1.2 SoC功能驗證的問題
9.1.3 SoC功能驗證的發展趨勢
9.2 功能驗證方法與驗證規劃
9.3 系統級功能驗證
9.3.1 系統級的功能驗證
9.3.2 軟硬件協同驗證
9.4 仿真驗證自動化
9.4.1 激勵的生成
9.4.2 響應的檢查
9.4.3 覆蓋率的檢測
9.5 形式驗證
9.5.1 形式驗證的理論基礎
9.5.2 相等性檢查在SoC中的應用
9.5.3 半形式驗證在SoC中的應用
9.6 基于斷言的驗證
9.6.1 斷言語言
9.6.2 基于斷言的驗證
9.6.3 斷言的其他用途
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第10章 可測性設計
10.1 集成電路測試概述
10.1.1 測試的概念和原理
10.1.2 測試及測試矢量的分類
10.1.3 自動測試設備
10.2 故障建模及ATPG原理
10.2.1 故障建模的基本概念
10.2.2 常見故障模型
10.2.3 ATPG基本原理
10.2.4 ATPG的工作原理
10.2.5 ATPG工具的使用步驟
10.3 可測性設計基礎
10.3.1 可測性的概念
10.3.2 可測性設計的優勢和不足
10.4 掃描測試（SCAN）
10.4.1 基于故障模型的可測性
10.4.2 掃描測試的基本概念
10.4.3 掃描測試原理
10.4.4 掃描設計規則
10.4.5 掃描測試的可測性設計流程及相關EDA工具
10.5 存儲器的內建自測
10.5.1 存儲器測試的必要性
10.5.2 存儲器測試方法
10.5.3 BIST的基本概念
10.5.4 存儲器的測試算法
10.5.5 BIST模塊在設計中的集成
10.6 邊界掃描測試
10.6.1 邊界掃描測試原理
10.6.2 IEEE 1149.1標準
10.6.3 邊界掃描測試策略和相關工具
10.7 其他DFT技術
10.7.1 微處理器核的可測性設計
10.7.2 Logic BIST
10.8 DFT技術在SoC中的應用
10.8.1 模塊級的DFT技術
10.8.2 SoC中的DFT應用
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第11章 低功耗設計
11.1 為什么需要低功耗設計
11.2 功耗的類型
11.3 低功耗設計方法
11.4 低功耗技術
11.4.1 工藝優化
11.4.2 電壓優化
11.4.3 門控時鐘技術
11.4.4 門級優化技術
11.4.5 低功耗SoC系統的動態管理
11.4.6 低功耗SoC設計技術的綜合考慮
11.5 低功耗分析和工具
11.6 低功耗設計趨勢
本章參考文獻

第12章 後端設計
12.1 時鐘樹綜合
12.2 布局規劃
12.3 布線
12.4 ECO技術
12.5 功耗分析
12.6 信號完整性的考慮
12.6.1 信號完整性的挑戰
12.6.2 壓降和電遷移
12.6.3 信號完整性問題的預防、分析和修正
12.7 物理驗證
12.8 可制造性設計/面向良品率的設計
12.8.1 DFM/DFY的基本概念
12.8.2 DFM/DFY方法
12.8.3 典型的DFM/DFY問題及解決方法
12.8.4 DFM/DFY技術的發展趨勢
12.9 後端設計技術的發展趨勢
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第13章 SoC中數模混合信號IP的設計與集成
13.1 SoC中的數模混合信號IP
13.2 數模混合信號IP的設計流程
13.3 基于SoC復用的數模混合信號（AMS）IP包
13.4 數模混合信號（AMS）IP的設計及集成要點
13.4.1 接口信號
13.4.2 模擬與數字部分的整體布局
13.4.3 電平轉換器的設計
13.4.4 電源的布局與規劃
13.4.5 電源/地線上跳動噪聲的消除
13.4.6 其他方面的考慮
13.5 數模混合IP在SoC設計中存在的問題和挑戰
13.6 SoC混合集成的新趨勢
本章參考文獻

第14章 I/O環的設計和芯片封裝
14.1 I/O單元介紹
14.2 高速I/O的噪聲影響
14.3 靜電保護
14.3.1 ESD的模型及相應的測試方法
14.3.2 ESD保護電路的設計
14.4 I/O環的設計
14.4.1 考慮對芯片的尺寸的影響
14.4.2 考慮對芯片封裝的影響
14.4.3 考慮對噪聲的影響
14.4.4 考慮對芯片ESD的影響
14.5 SoC芯片封裝
14.5.1 微電子封裝的功能
14.5.2 微電子封裝的發展趨勢
14.5.3 當前的封裝技術
14.5.4 封裝技術發展的驅動力
本章參考文獻

第15章 課程設計
15.1 基于ESL設計方法的Motion-JPEG視頻解碼器設計
15.1.1 實驗內容
15.1.2 實驗準備工作
15.1.3 SoCLib ESL仿真平臺及MJPEG解碼流程的介紹
15.1.4 實驗1 構建基于SoCLib的單核SoC
15.1.5 實驗2 構建基于SoCLib的MPSoC
15.1.6 實驗3 系統軟件開發——嵌入式操作系統及設備驅動設計
15.1.7 實驗4 面向MJPEG解碼的MPSoC系統優化
15.2 實驗——基于ARM7TDMI處理器的SoC設計
15.2.1 任務目標
15.2.2 設計參考
15.2.3 建議使用的EDA工具
15.2.4 基本SoC設計方案
15.2.5 實驗要求
15.3 項目進度管理
15.3.1 項目任務與進度階段
15.3.2 進度的管理
本章參考文獻
附錄A Pthread多線程編程接口
附錄B SoCLib系統支持包

1.系統需求說明
系統設計首先從確定所需的功能開始，包含系統基本輸入和輸出及基本算法需求，以及系統要求的功能、性能、功耗、成本和開發時間等。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，并初步確定系統的設計流程。
2.高級算法建模與仿真
在確定流程後，設計者將使用如C和c++等高級語言創建整個系統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同仿真所需的可執行的說明文檔。此類文檔會隨著設計進程的深入而不斷地完善和細化。
3.軟硬件劃分過程
這一環節包括軟硬件劃分和任務分配，是一個需要反復評估和修改直至滿足系統需求的過程。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。軟硬件劃分的合理性對系統的實現至關重要。通常，在復雜的系統中，軟件和硬件都比較復雜。有些功能既可以用軟件實現也可以用硬件實現，這取決于所要達到的性能指標與實現的復雜程度及成本控制等因素。對比而言，兩者各有千秋。
采用硬件作為解決方案的好處有：由于增加了特定的硬件實現模塊，（通常是硬件加速器），因而可使系統的性能提升，僅就速度而言可以提高10倍，甚至100倍；增加的硬件所提供的功能可以分擔原先處理器的部分功能，這一點有助于降低處理器的復雜程度，使系統整體顯得簡單。
硬件解決方案也存在一些不利的地方：添加新的硬件必然會提高成本，主要花費在購買妒和支付版權費等方面；硬件的研發周期通常都比較長，中等規模的開發團隊開發一套復雜程度一般的硬件系統至少需要3個月的時間；要改正硬件設計存在的錯誤，可能需要再次流片；相比于軟件設計工具，硬件設計工具（EDA）要昂貴許多，這也使得設計成本增加。
采用軟件實現作為解決方案的好處有：軟件產品的開發更靈活，修改軟件設計的錯誤成本低、周期短；受芯片銷量的影響很小，即使所開發的軟件不用在某一特定芯片上，也可以應用到其他硬件設備上，因而市場的風險比較低。軟件解決方案也存在著難以克服的不足之處：軟件實現從性能上來說不及硬件實現；采用軟件實現對算法的要求更高，這又對處理器的速度、存儲器的容量提出了更嚴格的條件，一般還需要實時操作系統的支持。
表2-1列出了軟件和硬件實現各自的優缺點。
軟硬件劃分的過程通常是將應用一一在特定的系統結構上映射，建立系統的事務級模型，即搭建系統的虛擬平臺，然後在這個虛擬平臺上進行性能評估，多次優化系統結構。系統結構的選擇需要在成本和性能之間折中。高抽象層次的系統建模技術及電子系統級設計的工具使得性能的評估可視化、具體化。
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、布局布線及最後的流片。軟件設計則包括算法優化、應用開發，以及操作系統、接口驅動和應用軟件的開發。