1.5 设计问题与设计工具

通过前面几节的介绍与讨论，我们已经初步了解了VLSI系统设计的几个主要层次与设计问题，每一个设计层次中又分成了几个主要的设计问题与设计过程。

没有设计工具是无法完成VLSI系统的设计与分析的，设计工具充分满足了各设计问题的需求。当今的设计工具被集成在一个统一的设计环境（框架软件）中，按照主要的设计问题被分类管理，同时采用统一的交互数据库进行数据交互。对于VLSI系统设计问题、设计工具以及工具所能够完成的工作情况大致如表1.2所示。设计问题栏分类描述了三个主要的设计层次，这里，系统设计、逻辑设计、电路设计和可测试性设计属于硬件设计大类，之所以分列成两个设计层次是因为系统、逻辑、电路的设计和可测试性设计的设计方法与设计问题有比较大的差别，可测试性设计是建立在系统、逻辑、电路之上的。设计工具栏则与设计问题相对应，这些工具帮助设计者解决了设计问题。设计、分析与验证栏则具体说明了设计工具帮助设计者解决了哪些具体的设计问题。

随着集成电路技术与软件水平的进步，设计软件也不断地得到完善和发展，已由简单的辅助设计软件，逐步地成为完善的设计系统。

表1.2 设计问题与设计工具

到目前为止，设计软件已经历了三个发展阶段：简单的辅助设计工具；集成化的设计体系；具有高级综合能力的设计系统。这三个发展阶段实际上也对应了集成电路从小规模到大规模再到超大规模的发展过程，我们可以从中领悟到技术进步与发展的关系。

在设计软件发展的初级阶段，各个应用软件相对独立，由使用者通过命令行的形式完成辅助设计过程，各软件之间的数据交换采用某种特定的格式。设计方案需要通过一系列的比较和修改才能获得满意的结果。这时的应用软件主要包括：交互式逻辑图输入与编辑软件，逻辑仿真软件，电路仿真软件，版图编辑软件和版图验证软件。

在设计软件的第二个发展阶段，各个设计软件被集成在一个统一的设计环境内，由设计系统对设计进程进行管理，设计数据以统一数据库的形式进行存取与交换。在设计形式上已出现了逻辑综合和某些特定形式的版图自动生成，大大地提高了设计的自动化程度。同时，基于原理图的版图检查工具以及分布参数的自动提取功能得到了加强。可以说，这时的设计体系已比较完善，可以进行高效的设计，以满足各种设计需求。

随着集成技术的进步和集成能力的提高，超大规模集成系统的实现成为可能，原有的原理图设计与逻辑图输入已不能适应，设计软件及设计系统进入了第三个发展阶段。引入了硬件描述语言HDL，其代表为VHDL和VerilogHDL，出现了行为级综合工具和完善的逻辑综合工具，可以高效地设计超大规模甚至特大规模的极其复杂的集成系统。

集成电路版图设计是集成电路设计的第二个子过程，是集成电路从电路拓扑到电路芯片的一个重要的设计过程，并且随着集成电路制造技术以及设计软件的发展而发展。有三种主要的技术方法：一是通过图形编辑方法完成版图设计，二是通过库单元调用和拼接方法完成版图设计，三则是通过计算机辅助设计（CAD）或自动设计（DA）技术自动地生成某种格式的版图。

版图编辑主要用于手工设计版图，在计算机平台上，利用版图编辑工具软件进行版图的“绘制”，目前主要被用于模拟集成电路的版图设计和标准单元库中单元版图的设计。

单元库技术是介于手工设计与自动设计之间的一种设计方法，是目前设计优秀集成电路的一个非常重要的技术方法。它是以成熟的集成电路单元（电路和版图）库为设计基础，利用计算机的布局布线工具软件，在二维的平面上完成对应于具体电路或系统的版图设计。由于采用了成熟的集成电路单元电路和版图，同时又借助了计算机辅助工具，因此，设计完成的集成电路不但具有优越的局部性能，又具有优越的整体性能。在这种设计方法中，单元库中的组件通常是采用手工设计和优化，并经过实验验证其正确性和优越性的单元。

版图的自动设计或生成技术，是利用自动设计工具或辅助设计工具，按照某种版图格式完成对应电路或系统的版图设计，如门阵列版图格式。这种设计技术具有高度的自动化，几乎不需要任何的版图设计知识。但正是因为其高度地自动化，因此，用这种方法实现的版图以至其集成电路的性能有所缺憾。需要指出的是，在以这种技术实现的版图中，电路或系统的输入/输出单元（I/O）仍是利用了标准单元库技术，即I/O单元是标准单元，而内部电路则是采用了规则阵列技术。这样的设计方法体现了当今集成电路或系统的设计理念：将集成电路或系统的分析计算部分和信息接口分开进行设计。分析计算部分即所谓的内部电路采用高度规则的结构以降低版图实现的难度，提高设计效率；与外界进行信息交换的接口部分则采用高度优化的单元形式，以提高电路或系统的性能和可靠性。