基于系統(tǒng)芯片ZSU32的SoC芯片設(shè)計(jì)

　本文針對中山大學(xué)ASIC設(shè)計(jì)中心自主開發(fā)的一款系統(tǒng)芯片ZSU32，以Synopsys公司的Design Compiler為綜合工具，探索了對SoC芯片進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)流程和方法，特別對綜合過程的時序約束進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出了有效的綜合約束設(shè)置方案。

　　1 時序約束原理

　　同步電路是大多數(shù)集成電路系統(tǒng)的主流選擇。同步電路具有工作特性簡單、步調(diào)明確、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，因?yàn)樗械臅r序元件受控于一個特定的時鐘，所以數(shù)據(jù)的傳播必須滿足一定的約束以便能夠保持與時鐘信號步調(diào)一致。

　　設(shè)置建立時間(setup time)約束可以滿足第一個條件：

　　2 ZSU32系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)

　　ZSU32芯片內(nèi)置32 bit MIPS體系處理器作為CPU，具備兩路獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存，CPU內(nèi)部有獨(dú)立的DSP協(xié)處理器和浮點(diǎn)協(xié)處理器，同時集成了LCD控制器、MPEG硬件加速器、AC97控制器、SRAM控制器、NAND Flash控制器、SATA高速硬盤控制器、以太網(wǎng)MAC控制器等，并具有I2C、I2S、SPI、、UART、GPIO等多種接口模塊。

　　3 ZSU32系統(tǒng)芯片的約束設(shè)置與邏輯綜合

　　ZSU32系統(tǒng)芯片的綜合采取自底向上的策略，先局部后整體。首先將當(dāng)前工作層次設(shè)置為系統(tǒng)芯片的某個子模塊，然后對該子模塊添加各項(xiàng)具體約束，接著完成子模塊的綜合。依次對各子模塊重復(fù)上述綜合流程，當(dāng)各個模塊都順利通過了初次綜合后，通過set_dont_touch_network命令將模塊中的關(guān)鍵路徑和時鐘線網(wǎng)保護(hù)起來，然后做一次全局優(yōu)化，檢查是否滿足時序等各方面的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到要求就可以輸出最終的網(wǎng)表和各項(xiàng)綜合報(bào)告。

　　3.1 設(shè)定工藝庫和參考庫

　　設(shè)置Design Compiler運(yùn)行所使用的庫：目標(biāo)庫(target_library)、鏈接庫(link_library)、可綜合庫(synthetic_library)、符號庫(symbol_library)。其中的目標(biāo)庫中包含了標(biāo)準(zhǔn)單元庫、RAM單元庫、I/O單元庫、PLL單元庫等，通常是由芯片代工廠家提供。系統(tǒng)芯片ZSU32采用的是中芯國際的0.18 ?滋m CMOS工藝庫，所以在設(shè)置時就把目標(biāo)庫指向該工藝庫。

　　#設(shè)置目標(biāo)工藝庫

　　set target_library SMIC.db

　　3.2 讀入RTL設(shè)計(jì)與設(shè)置工作環(huán)境

　　讀入RTL設(shè)計(jì)通常有自頂向下或者自底向上2種方式。因?yàn)閆SU32模塊眾多，所以采用自底向上的讀入方式。首先讀入各個子模塊，并分別編譯;然后更改層次，編譯上一層的模塊;最后會合成整個系統(tǒng)。

　　讀入設(shè)計(jì)后，首先設(shè)置芯片的工作環(huán)境，根據(jù)采用的工藝庫提供的環(huán)境和線網(wǎng)負(fù)載模型，可以通過set_operating_condition和set_wire_load_model命令進(jìn)行設(shè)置。以下是ZSU32綜合環(huán)境的頂層環(huán)境設(shè)置：

　　#設(shè)置工作環(huán)境

　　set_operating_condition smic18_typ;

　　#設(shè)置線網(wǎng)負(fù)載模型

　　set_wire_load_model smic18_wl30;

　　3.3 時序約束

　　3.3.1 時鐘定義

　　時鐘是整個時序約束的起點(diǎn)。系統(tǒng)芯片ZSU32將外部輸入時鐘和PLL模塊輸入時鐘作為源時鐘：ext_clk_i和pll_clk_i。通過對這2個源時鐘信號的分頻或者倍頻，產(chǎn)生了各個子模塊的時鐘信號。

　　#定義源時鐘ext_clk，周期16 ns

　　create_clock-name ext_clk-period

　　16 [get_ports {ext_clk_i}];

　　在SoC芯片內(nèi)部，子模塊的時鐘實(shí)際是經(jīng)過源時鐘分頻或者倍頻得到的，使用create_generated_clock命令來建立子模塊時鐘。

　　#設(shè)置一個2倍頻時鐘clk_main，

　　#其源時鐘是pll_clk_i

　　create_generated_clock -name clk_main

　　-multiply_by 2 -source pll_clk_i;