32位嵌入式CPU中系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設計與實現

　　電路的定制設計主要指的是，在Composer環(huán)境中手工設計晶體管級的電路。電路參數的確定由Synopsys的電路仿真工具Hspice協(xié)助完成。將從設計好的電路中抽出的網表輸入到Hspice中，仿真計算出電路的時延

　　為了減少全定制設計的工作量，電路設計要建立模塊的微體系結構。其中CP0的基本單元確定如下：基本的CP0寄存器(時鐘上沿同步寄存器) ；32位比較器；32位加法器；多選一選擇器(包括2選1、3選1和4選1 MUX)；驅動器(即反相器；其尺寸參數化以適應不同驅動要求)。

　　加法器基本采用了超前進位加法器的思想，然后在整體上分成兩個16位加法器的模塊，模塊間采用進位選擇加法器的思想，從而大大提高了整個電路的速度。但其面積比全部采用超前進位加法器時要大20％左右。

　　設計出來的電路邏輯是否正確，時延是否滿足要求，分別需要做功能驗證和電路仿真。在驗證了各個小模塊的正確性之后，需驗證小模塊之間的邏輯連接正確性，最后對整個模塊進行驗證，進一步分析電路找出模塊中的最長路徑，通過仿真、更改電路、再仿真的過程，來確定該模塊是否能達到預期的邏輯設計要求。

　　版圖的全定制設計

　　版圖設計是根據電路功能和性能的要求以及工藝條件的限制(如線寬、間距、制版設備所允許的基本圖形等)，設計集成電路制造過程中必需的光刻掩膜版圖。版圖設計與集成電路制造工藝技術緊密相連，是集成電路設計的最終目標。

　　在設計過程中，為了降低設計的復雜度，采用混合設計模式，即全定制和標準單元設計相結合的設計方法。這樣既有利于保證電性能的要求，又能減小設計周期，是一種較為理想的設計模式。

　　在全定制版圖中，設計過程分為兩步完成，每個大單元電路總是由各種基本電路組合而成，所以第一步是繪制基本電路的版圖，畫完后做DRC和LVS，保證基本電路的正確性。第二步用這些基本電路來組合成大的單元。

　　全定制芯片設計可以根據數據通路電路的規(guī)則手工設計出合理的版圖。版圖設計中盡量保證各個部分的規(guī)整和對稱，使其易于擴展。版圖的布局中使聯系較多的單元盡量靠近，從而縮短互連線的長度，減小每個單元的面積和時延，降低器件的負載電容，采取的具體措施如下：

　　1) 增加地與襯底、電源與阱的接觸，在沒有器件和走線的空白處多打接觸孔，并且將其與電源或地連接，有利于收集噪聲電流、穩(wěn)定電位、減小干擾和被干擾；

　　2) 形成網狀的電源地線網絡；

　　3) 避免同層或上下兩層中長金屬線的平行走線，對噪聲敏感的線盡量布得短；

　　4) 避免首尾循環(huán)的走線；

　　5) 在滿足設計規(guī)則的前提下，盡量減小MOS管的有源區(qū)面積，以減小寄生電容，提高工作速度；

　　6) 在數據通路設計中，要為金屬連線留下一些備用位置。

　　控制通路與數據通路的集成設計及驗證

　　邏輯層次

　　控制部分直接用行為級的RTL代碼，數據通路部分由從全定制電路導出的結構化RTL代碼，得到全模塊的邏輯描述。

　　可采用向量進行驗證，與采用RTL(或C模型)進行驗證的結果(trace文件)進行比對。

　　電路層次

　　電路層次控制通路與數據通路的集成可以借助Composer順利完成。

　　對于延時信息的獲取，數據通路或控制通路內部的路徑分別采用Hspice仿真及綜合來獲得，分析內部是否存在關鍵路徑。

　　涉及數據通路與控制通路之間的關鍵路徑，可以由全定制部分提交數據通路部分接口的輸入/輸出時延信息，即該路徑在其內部需要的時間。以這些信息作為外部約束，再對相關模塊進行綜合(按模塊綜合)，結果文件中將得到集成后的關鍵路徑。

　　版圖層次

　　要保證版圖與電路的一致性，需要做LVS驗證。即將控制通路的門級網表導入Composer，與數據通路的全定制電路合成總電路，并由此提取電路級的Spice網表進行LVS驗證。LVS采用的工具為Mentor Graphics 的Calibre工具。

　　結語

　　本文主要研究了基于MIPS 4Kc體系結構的系統(tǒng)控制協(xié)處理器的設計和實現，包括精確異常處理的實現方式和全定制的物理設計。在對精確異常處理機制的過程中通過增加寫使能判別邏輯達到了縮減關鍵路徑時延的目的，降低了控制邏輯的復雜性，同時增加了全芯片的可靠性。本文的設計通過了邏輯、電路驗證，應用于32位CPU的設計中，并采用中芯國際的1P6M 0.18mm工藝成功流片。