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郭高旭 ggx21@mails.tsinghua.edu.cn 2021010803

vlsi的发展，vlsi设计的发展，EDA发展阶段、特点、三者之间的关系

vlsi的发展：

自1959年集成电路在TI和Fairchild诞生以来，经历了SSI，MSI，LSi，VLSI，ULSI的发展历程，目前已进入SOC时代。基本遵循摩尔定律，集成电路的集成度每3年翻一番，集成电路技术正在迅速地向着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性的方向发展。

vlsi设计的发展：

  1. 20 世纪 60 70 年代的初级集成电路硬件设计时期：针对SSI，MSI的，可设计各种逻辑门、触发器、计数器、寄存器和编译码器等

  2. 20 世纪 70 80 年代的集成电路的软件编程设计时期：集成电路设计主要是微处理器、随机存储器和只读存储器，使用由汇编语言或高级语言编制的程序去调试系统。

  3. 20世纪80 90年代的专用集成电路和系统集成设计时期。 借助于电子产品自动化设计工具

EDA的发展

  • 1970年代：最早的EDA工具出现，用于原理图设计和模拟。

  • 1980年代：EDA工具开始支持综合、布局和时序分析。自动综合器的出现是EDA技术的第二次突破性进展

  • 1990年代：EDA工具变得更加综合和集成，支持更复杂的设计流程。全面支持电子系统设计自动化.

  • 2000年代以及之后：EDA工具不断进化，支持了深亚微米和纳米技术的设计挑战，如多核处理器和低功耗设计。

三者之间的关系：

  • 集成电路设计技术要适应工艺技术的发展，VLSI和VLSI设计的发展推动了EDA工具的不断演进。EDA工具为VLSI设计提供了必要的自动化和分析工具，使得设计更容易、更快速，同时也更可靠。

  • EDA工具在不同设计阶段提供支持，包括逻辑设计、综合、布局和时序分析。设计者使用这些工具来验证和优化其电路设计。

  • EDA工具还在VLSI设计和制造之间建立了桥梁，协助将设计转化为实际的硅片。

集成电路的层次设计步骤

集成电路的层次设计分为自顶向下的设计和自底向上的设计两种

自顶向下的设计可以分为下面6步

  1. 行为级设计

    将用户需求转换为系统设计说明的过程

  2. 算法描述

    将系统功能借助于硬件描述语言进行算法设计和描述

  3. 寄存器传输级

    将子系统或模块的算法描述转换成实现其功能所采用的实际硬件

  4. 门级

    转换成只包含基本门与触发器的逻辑电路

  5. 电路级

    转换成晶体管、电阻、电容等基本元件及连线

  6. 版图级

    转换成物理版图

自底向上是相反的过程

vlsi的设计描述形式有几类？各自适合于哪个范畴？

四类

  • 行为描述：适合于功能级，寄存器传输级，门级，晶体管级，版图级

  • 结构描述：适合于功能级，寄存器传输级，门级，晶体管级，版图级

  • 几何描述：适合于门级，晶体管级，版图级

  • 计算机描述：适合于功能级，寄存器传输级，门级，晶体管级，版图级

自顶向下实现两位全加器

  1. 系统级：

    自然语言描述：输入两个2位二进制数，输出它们的和（2位），以及进位

  2. 算法级：

    使用vhdl语言编写实现上述功能的算法,下面是伪代码

    1
    2
    3
    4
    module TwoBitAdder(input A, B, Cin, output Sum, Cout);
        Sum = (A XOR B) XOR Cin;
        Cout = (A AND B) OR ((A XOR B) AND Cin);
    end module;

  3. 寄存器传输级

    用组合逻辑电路翻译上述算法中的模块与接线

    image-20231017122808415

graph TB
    A[开始] --> B[行为级设计]
    B --> C[算法描述]
    C --> D[寄存器传输级]
    D --> E[门级设计]
    E --> F[电路级设计]
    F --> G[版图级设计]
    G --> H[结束]

估算以下情况下一个芯片内能够集成的门数。

  1. 15625

  2. 140625

  3. 1150000



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