本書是普通高等教育"十一五*規(guī)劃教材、普通高等教育精品教材。本書結(jié)合SoC設(shè)計(jì)的整體流程，對SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)及如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了全面介紹。全書共15章，主要內(nèi)容包括：SoC設(shè)計(jì)緒論、SoC設(shè)計(jì)流程、SoC設(shè)計(jì)與EDA工具、SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、IP復(fù)用的設(shè)計(jì)方法、RTL代碼編寫指南、同步電路設(shè)計(jì)及其與異步信號交互的問題、綜合策略與靜態(tài)時(shí)序分析方法、SoC功能驗(yàn)證、可測性設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)、SoC中數(shù)模混合信號IP的設(shè)計(jì)與集成、I/O環(huán)的設(shè)計(jì)和芯片封裝、課程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。書中不僅融入了很多來自于工業(yè)界的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還介紹了SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的*成果，可以幫助讀者掌握工業(yè)化的解決方案，使讀者能夠及時(shí)了解SoC設(shè)計(jì)方法的*進(jìn)展。本書提供中英文電子課件。
序 一
2007年是晶體管發(fā)明60周年，2008年是集成電路發(fā)明50周年。也許連晶體管的發(fā)明人威廉?肖克利（William Shockley）和集成電路的發(fā)明人杰克?基爾比（Jack Kilby）當(dāng)初也沒有意識到，他們的發(fā)明能夠?qū)笫喇a(chǎn)生如此重大和深遠(yuǎn)的影響，以至于今天我們的生活中晶體管和集成電路無處不在。1965年戈登?摩爾（Gordon Moore）提出了著名的摩爾定律（Moores Law），準(zhǔn)確地預(yù)言了其后40多年集成電路技術(shù)的發(fā)展。盡管今天在面臨功耗等諸多挑戰(zhàn)的時(shí)候，人們對摩爾定律還能持續(xù)多久產(chǎn)生了一些疑問，但也沒有人懷疑它在未來20年中還會一直有效。
即使對集成電路技術(shù)一無所知的人，也很容易計(jì)算出226是一個(gè)多么巨大的數(shù)字�；仡櫦呻娐吩谶^去的40多年中以集成度每18個(gè)月翻一番的速度成長的過程，我們今天無論如何也不該再簡單地使用芯片這個(gè)單詞了，因?yàn)樗呀?jīng)無法準(zhǔn)確地描述今天集成電路的復(fù)雜度和功能。在絞盡腦汁用小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、甚大規(guī)模、超大規(guī)模和特大規(guī)模等形容詞來描述集成電路復(fù)雜度的過程中，人們發(fā)現(xiàn)已經(jīng)找不到更合適的形容詞了，似乎語言的能力在高速發(fā)展的集成電路技術(shù)面前也有些黔驢技窮。上世紀(jì)末逐漸被人們所采用的系統(tǒng)級芯片（SoC，System on Chip）預(yù)示著這個(gè)行業(yè)在快速發(fā)展40年后，正在出現(xiàn)一個(gè)量變到質(zhì)變的突破。
2003年也許注定就是一個(gè)不平凡的年份，在亞洲國家遭受非典影響的同時(shí)，全球集成電路產(chǎn)業(yè)也悄悄地經(jīng)歷了一個(gè)痛苦、但是意義深遠(yuǎn)的變革。這次變革雖然沒有驚天動(dòng)地，但足以讓集成電路產(chǎn)業(yè)來重新審視我們過去研究和預(yù)言過無數(shù)次的未來。我們曾經(jīng)非常熟悉、且深信不移集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，如以工藝能力為中心的工藝技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，等比例縮小驅(qū)動(dòng)性能提升和成本下降，提高性能是芯片追求的主要目標(biāo)和動(dòng)態(tài)功耗主導(dǎo)芯片功耗等，除了等比例縮小仍然是成本下降的主要手段之外，其他的都發(fā)生了深刻的變化。例如，以設(shè)計(jì)能力為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)成為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要力量，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)性能提升，芯片的功耗不再取決于動(dòng)態(tài)功耗，而取決于靜態(tài)功耗等。面對這些變化，我們一方面不得不感嘆技術(shù)進(jìn)步的迅猛和知識更新?lián)Q代的頻繁，另外一方面也驚訝地發(fā)現(xiàn)，我們要面對的不再是傳統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)問題，包括軟件、通信、應(yīng)用等諸多系統(tǒng)層面的問題也成為我們必須面對和克服的挑戰(zhàn)。不少有識之士在不斷地提醒著我們SoC中的S（System）比C（Chip）更重要，這是因?yàn)榱私釹是設(shè)計(jì)C的先決條件。顯然，SoC的設(shè)計(jì)者不僅要掌握芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)，更要了解和掌握系統(tǒng)的知識。
中國是信息產(chǎn)業(yè)大國，也是集成電路產(chǎn)業(yè)大國。經(jīng)過數(shù)十年的精心組織和發(fā)展，中國已經(jīng)成為全球集成電路產(chǎn)業(yè)的重要基地之一�？梢灶A(yù)見的是，在未來若干年中，全球集成電路產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移的大趨勢將不會改變，這不僅僅是因?yàn)橹袊?jīng)濟(jì)的發(fā)展造就了龐大的市場需求，更是中國本土集成電路產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步營造了一個(gè)全球不可多得的，優(yōu)秀的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。以設(shè)計(jì)為龍頭的產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略在造就了一個(gè)生機(jī)勃勃的集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的同時(shí)，也極大地提升了我國在集成電路領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。以移動(dòng)通信為例，我們在第一代模擬移動(dòng)通信中只是一個(gè)站在圈外的買家，在第二代移動(dòng)通信的發(fā)展中期，我們就參與了關(guān)鍵芯片產(chǎn)品的競爭，而在第三代移動(dòng)通信發(fā)展的初期，我們已經(jīng)成為一個(gè)全球不能忽視的重要伙伴。這些有目共睹的變化昭示著中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的希望和強(qiáng)勁力量。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我們見證了集成電路產(chǎn)業(yè)在中國的飛速發(fā)展，更感受到產(chǎn)業(yè)發(fā)展對人才培養(yǎng)的迫切需求。與發(fā)達(dá)國家相比，我國集成電路設(shè)計(jì)人才的數(shù)量和質(zhì)量都相差甚遠(yuǎn)，根本無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。因此，我們完全有理由相信今后10年中對于集成電路人才的需求，特別是對高層次集成電路人才的需求將持續(xù)升溫。
人才的培養(yǎng)離不開一流的師資和教材。目前，國內(nèi)高校在集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)方面更多的是采用國外引進(jìn)的專業(yè)基礎(chǔ)教材，雖然其中不乏經(jīng)典之作，但總體來看，這些教材缺乏從系統(tǒng)看芯片的介紹，缺乏對SoC概念的講解，缺乏從工程的角度教會學(xué)生做SoC設(shè)計(jì)的內(nèi)容，學(xué)生也很難將底層器件和上層系統(tǒng)聯(lián)系在一起。這造成了國內(nèi)培養(yǎng)的工程師往往能夠設(shè)計(jì)一個(gè)小的功能模塊，卻很難勝任一個(gè)復(fù)雜SoC的設(shè)計(jì)。
本書圍繞SoC設(shè)計(jì)，全面深入地介紹了有關(guān)SoC的知識，著重闡述了SoC設(shè)計(jì)中廣受關(guān)注的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，低功耗設(shè)計(jì)，可測性設(shè)計(jì)，先進(jìn)驗(yàn)證方法和后端設(shè)計(jì)。內(nèi)容既包括SoC的概念介紹，常用的微處理器、總線和存儲器，還包括SoC設(shè)計(jì)的完整流程和工具介紹，以及RTL代碼編寫指南等十分實(shí)用的內(nèi)容，是一本內(nèi)容全面并具有一定前瞻性的教材及參考書。
本書的主要作者郭煒教授具有在Motorola長期參與芯片設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理的豐富經(jīng)歷，以及多年從事科研與教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，書中不僅介紹了SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新成果，還融入了很多來自工業(yè)界的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和案例，可以幫助讀者通過了解工業(yè)界實(shí)用的解決方案，快速提升對SoC設(shè)計(jì)的理解，掌握SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。書中不僅涉及芯片的設(shè)計(jì)，也包含了封裝等一般集成電路設(shè)計(jì)教材中大多忽略的內(nèi)容，使得實(shí)用化成為本書的第二個(gè)重要特點(diǎn)。
本書沒有遵循一般專著或教材的編寫特點(diǎn)，而是以教會學(xué)生實(shí)用的設(shè)計(jì)技術(shù)為主線，按照SoC設(shè)計(jì)流程來組織和安排各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，能夠讓初次涉足此領(lǐng)域的學(xué)生順著書閱讀，自然地學(xué)習(xí)和掌握SoC的設(shè)計(jì)過程，書中給出的實(shí)驗(yàn)大綱和項(xiàng)目進(jìn)度管理等，不僅進(jìn)一步充實(shí)了本書作為教材的內(nèi)容，對于學(xué)生今后的就業(yè)也是不錯(cuò)的基礎(chǔ)培訓(xùn)。
過去幾年中，我國越來越多的高等院校擴(kuò)大了集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的人才培養(yǎng)，因此建設(shè)更多、更優(yōu)秀、實(shí)踐性更強(qiáng)的教材迫在眉睫。希望今后能夠看到更多富有工程及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的人士編寫出更多、更好的教材，為我國集成電路設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)作出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
（魏少軍）
2007年4月于北京清華大學(xué)
序 二
2007年初，我讀了郭煒研究員編寫的《SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)》一書的手稿，并為之寫序，我當(dāng)時(shí)主要看到的是一個(gè)成功的SoC設(shè)計(jì)者的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。今天，我再次先于讀者拜讀《SoC設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)（第2版）》，明顯看到了作者根據(jù)技術(shù)的革新與進(jìn)步，對第1版的技術(shù)內(nèi)容做了大幅度增刪，也明顯看到了沉淀在書稿中的作者在這4年多的時(shí)間里積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。
4年多來，傳統(tǒng)的硅基CMOS主流工藝技術(shù)仍在不斷改進(jìn)，應(yīng)用于不同領(lǐng)域的處理器的集成度還在不斷增加。在晶體管集成度，單位功率性能和功能集成等關(guān)鍵指標(biāo)方面，在新的記錄不斷產(chǎn)生的同時(shí)又不斷被打破。高性能數(shù)字單元的實(shí)現(xiàn)工藝覆蓋了不同的工藝技術(shù)，包括65nm、45 nm、40nm、32 nm及SOI CMOS技術(shù)。
4年多來，SoC設(shè)計(jì)中所涉及的新器件、新結(jié)構(gòu)迅速出現(xiàn)，模擬SoC的設(shè)計(jì)需求越來越多。數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展和壯大，曾使人們一度忘記了真正的世界其實(shí)是模擬的世界!今天，為了滿足模擬SoC信號處理的精度需求，大量使用了將數(shù)字信號處理模塊嵌入到模擬電路模塊的設(shè)計(jì)方法，利用這類技術(shù)研發(fā)的電路的性能已經(jīng)可以與傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的高性能模擬集成電路相比擬，甚至有的已經(jīng)超越了后者。
4年多來，得益于先進(jìn)的納米尺度CMOS工藝技術(shù)及電路結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，無線通信電路模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率在不斷提高。采用CMOS工藝的射頻單元技術(shù)和電路技術(shù)發(fā)展迅速，利用載波頻率為120GHz的頻帶，近距離無線通信的收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)10Gb/s的收發(fā)速率，這種無線鏈接的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)與傳統(tǒng)的有線解決方案的速率十分接近。隨著無線多媒體通信對數(shù)據(jù)通信速率的要求越來越高，SoC設(shè)計(jì)越來越多地要包含射頻單元。
4年多來，無論是面向高性能計(jì)算的SoC，還是面向低功耗消費(fèi)電子產(chǎn)品的SoC，都發(fā)展迅速，系統(tǒng)中越來越多地要嵌入不同類型的存儲單元。隨著工藝的特征尺寸發(fā)展到32nm或28nm以下，SoC中包含的存儲容量越來越大，性能越來越強(qiáng)，但是工藝尺寸縮小也使得包含嵌入式存儲器的SoC設(shè)計(jì)面臨越來越多的技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。
4年多來，隨著工藝水平的發(fā)展，處理器的系統(tǒng)集成度越來越高，從而在SoC設(shè)計(jì)時(shí)對系統(tǒng)級的功耗優(yōu)化和有效的電源管理提出了更加苛刻的要求。由于低功耗的需要，SoC設(shè)計(jì)者有時(shí)不得不放棄對高工作頻率的追求，轉(zhuǎn)而通過集成多個(gè)工作頻率較低的處理器核來并行執(zhí)行任務(wù)。利用這種計(jì)算模式，在不需要運(yùn)算時(shí)可以關(guān)掉某些處理器核或使之進(jìn)入休眠模式，以降低系統(tǒng)功耗。
經(jīng)過4年多的技術(shù)演變，SoC設(shè)計(jì)者面臨的設(shè)計(jì)問題、應(yīng)用對象、可用設(shè)計(jì)元素及SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)本身都已發(fā)生了很大變化。我很高興地看到，郭煒研究員的及時(shí)修訂體現(xiàn)了這種技術(shù)演變。
《SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)》第1版付梓時(shí)，郭煒研究員剛剛離開工業(yè)界，到大學(xué)執(zhí)教，甚至可以說，她是SoC設(shè)計(jì)的專家，卻是SoC設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)（教學(xué)工作）的新手。我很高興地看到，本書的修訂在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上做了大幅度的補(bǔ)充，充分反映了郭煒研究員的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。
《SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)（第2版）》能更好地適應(yīng)復(fù)雜SoC設(shè)計(jì)工作的需求，能夠幫助讀者掌握有關(guān)集成電路設(shè)計(jì)SoC技術(shù)工業(yè)化的解決方案，使讀者能夠及時(shí)了解SoC設(shè)計(jì)方法的最新進(jìn)展，是一本內(nèi)容全面、將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的教材及技術(shù)參考書，相信不論是高校的在校學(xué)生，還是SoC設(shè)計(jì)的入門者和有經(jīng)驗(yàn)的工程師都可以從本書中獲取有益的知識！
（王志華）
2011年5月于清華大學(xué)
第3版前言
隨著對產(chǎn)品快速市場化和多樣性需求的增加，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由技術(shù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入應(yīng)用驅(qū)動(dòng)階段。創(chuàng)新周期越來越短，技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的邊界日趨模糊，技術(shù)更新和成果轉(zhuǎn)化更加快捷，產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代不斷加快。面向系統(tǒng)應(yīng)用的新型SoC，融合計(jì)算、通信和多媒體等多種應(yīng)用，由CPU DSP FPGA 硬件加速器 I/O等組成的混合架構(gòu)，在能夠滿足多種功能的需求的同時(shí)，對成本和能效提出了更高的要求。在新的挑戰(zhàn)面前，SoC設(shè)計(jì)方法也在不斷地發(fā)展。基于FPGA的SoC設(shè)計(jì)，由于它的可重
郭煒，研究員。1982年獲大連海事大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。1991年獲美國路易斯安娜州立大學(xué)電子工程學(xué)碩士學(xué)位。19912003年，任職于Motorola公司芯片設(shè)計(jì)部首席主任工程師（Principal Staff Engineer），研發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。成功地主持和負(fù)責(zé)過多個(gè)大規(guī)模SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目的研發(fā)工作，具有豐富的IC設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)。20042007年，在上海交通大學(xué)從事集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的科研與教學(xué)工作。2007年至今任天津大學(xué)研究員，長期從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、SoC設(shè)計(jì)、微處理器設(shè)計(jì)、多媒體處理技術(shù)等領(lǐng)域的教學(xué)、科研及產(chǎn)業(yè)化開拓。
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