第1章V1SI概论 3 设计。在这一层，采用复杂的映射技术将电路建立在一个微小的硅片上，晶体管和导线转变成 用金属和其他材料做成的极其微小的形式。物理设计是系统设计的最后一步。设计完成后， 项目进人生产线，其最终结果是一个完成的电子VLSI芯片。 如果从系统一级的要求出发，整个设计过程叫做自上而下的方法。起始的工作是相当抽 象和理论性的。在许多步骤完成之前，这些工作与硅片没有直接的联系。反过来的方法起始 于硅片和电路阶段。第一步是建立最基本的单元，如逻辑门、加法器、寄存器等。这些单元组 合起来就可得到较大、较复杂的逻辑模块，后者又可用做更大规模设计的功能块。这一自下而 上的设计方法用于小项目尚可，对复杂的现代VLS引设计就不切实际了。如果从一位一位数 开始设计一个工作正确的16位微处理机，那将是极端困难的。 自下而上地学习VLS的各个方面则是学习这一领域基础的好办法，因此本书的前半部 分即采用这一方法。我们将从简单开始，逐渐进人复杂、抽象的更高层次。目的是给大家一个 连贯的认识，即这个领域是一个由许多不同领域组成的整体。有些问题即便看上去极度专业 化，以后也会与其他概念相关联。一旦掌握了基础，我们就可以站在更高的层次上研究问题。 本书的后半部分将介绍VLSI系统方面的问题，以给出一个完整的概念。 1.1.1设计流程举例 作为一个层次化设计的例子，让我们先确定在一个基本的微处理器设计中什么是必需的。 初始的构想可在定义指令集和部件的系统层次上。一条指令是所设计的微处理器能够执行的 一个基本操作（如两个二进制数相加）。指令集则是一个具体处理器的全部指令集合。部件是 提供某个指定功能（如加法）的数字逻辑单元。计算机体系结构领域则研究组成计算机的单元 及它们是如何组合在一起的。 图1.3为这一问题的基本设计流程。指今集和部件组可以来建造一个高层次的结构模 型。这个层次只是抽象地描述系统的行为而不考虑在实际构成电路时需要的低层次细节。例 如，我们]可以定义一个加法运算为 register_X←A+B 意即将A和B的和传送到一个名为register_X(寄存器X)的存储器件中。这种高层次的抽象 可以用来定义处理器的体系结构，且常称为寄存器传输级(RTL)描述。RTL模型只描述系统 如何操作，不考虑具体的部件。当用HDL语言把它写下后，就可用来侧试指令并且验证体系 结构的行为。抽象设计能为系统建立一个方框图。 RTL代码可以转化为一个包含更多有关操作和行为部件细节的等效描述。每个功能块 的操作可在DL行为级上进行概括，这时的重点是放在这些功能块与其他部分相互作用的大 行为上。这一阶段的行为建模是极为关键的，因为要用它来验证体系结构。这一阶段的所有 问题都必须得到解决后才能进行下一步工作。 下一阶段的设计过程是将系统的功能块转化为以布尔方程和逻辑门为基础的逻辑模型。 这使抽象设计进入实际阶段，它是实现硬件设计的第一步。这一阶段可以通过两种途径完成： 逻辑电路的自动设计与综合或定制设计。自动设计以一系列在高性能L作站运行的CAD(计 算机辅助设计)工具为基础。一个综合工具通常可以接受HDL代码，按照一组预先确定的规 则产生相应的逻辑电路。编写恰当的HDL代码能够很快地产生逻辑设计，所以自动综合用于