专用集成电路设计实用教程
IC设计经典教材，《专用集成电路设计实用教程》专用集成电路设计实用教程虞希清编著大學出瓶社图书在版编目(CIP)数据专用集成电路设计实用教程/虞希清编著.一杭州:浙江大学出版社,2007.1ISBN978-7-308-05113-2专..Ⅱ.虞..Ⅲ.集成电路一电路设计一高等学校一教材Ⅳ.TN402中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第165341号专用集成电路设计实用教程虞希清编著任编辑张真封面设计张真出版发行浙江大学出版社(杭州天目山路148号邮政编码310028)(E-mail:zupress@mail,hz,zj.cn)(网址http://www.zjupress.com排版杭州好友排版工作室印刷杭州浙大同力教育彩印有限公司开本787mm×1092mm1/16印张18.25字数467千印数2001-3000版印次207年1月第1版2007年7月第2次印刷书号ISBN978-7-30805113-2定价38.00元版权所有翻印必究印装差错负责调换内容提要在现代的IC设计中,工程师们广泛地使用数字电路的逻辑综合技术。工程师们使用RTL代码和IP描述设计的功能,进行高级设计,用综合工具对设计进行编辑和优化,以实现满足设计目标的电路。根据多年为客户进行技术培训,技术支持和IC设计的经验,笔者编写了本书。书中主要介绍了IC设计的基本概念,设计流程和设计方法,并就工程师们在设计中常见的问题,提供了解决方法。本书的特点是实用性强全书共分九章,第一章概述EC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。前言本书在 Synopsys公司的逻辑综合培训资料基础上编写而成。从事EDA工作和ASIC设计已有十几年了。在给中港台ASIC设计工程师提供的技术培训和支持中,工程师们曾提出了设计和使用设计工具中遇到的各种各样的问题。教学相长,在和工程师讨论问题、提供解决方案的过程中,我得到了很多的经验和启发。在为用户解决一些实际问题,为他们提供培训后,我曾收到热情的掌声和感谢信。用户的掌声和谢意给了我很大的鼓励和鞭策,使我下决心要编写一本实用的中文版的集成电路设计教程和手册,以答谢用户们的支持和帮助。本书讲究实用性,希望其中的内容能帮助ASIC设计工程师清楚明了IC设计的基本概念,IC设计的流程,逻辑综合的基本概念和设计方法,解决进行IC设计时和工具使用时所遇到的问题。全书共分九章,第一章概述IC设计的趋势和流程;第二章介绍用RTL代码进行电路的高级设计和数字电路的逻辑综合;第三章陈述了IC系统的层次化设计和模块划分;第四章详细地说明如何设置电路的设计目标和约束;第五章介绍综合库和静态时序分析;第六章深入地阐述了电路的优化和优化策略;第七章陈述物理综合和简介逻辑综合的拓扑技术;第八章介绍可测性设计;第九章介绍低功耗设计和分析本书的主要对象是IC设计工程师,帮助他们解决IC设计和综合过程中遇到的实际问题。也可作为高等院校相关专业的高年级学生和研究生的参考书。在本书的编写过程中,得到了 Synopsys中国区高级技术经理常绍军先生的大力支持。常绍军先生、资深的应用技术顾问李昂先生和冯源先生审阅了本书,并提出了宝贵的意见和建议。在此,表示衷心的感谢。在本书编写过程中,得到了全家的支持,深表谢意!由于时间仓促,知识水平有限,书中难免有不足和错误之处,敬请各位专家,IC设计工程师和同行们批评指正,不胜感激。来函可发电子邮件( Email: victory_snps@ yahoo.com.hk)。虞希清2006年11月于 Synopsys香港目录第一章集成电路设计概论1.1摩尔定律………………∴…………11.2集成电路系统的组成1.3集成电路的设计流程第二章数字电路的高级设计和逻辑综合132.1RTL硬件描述语言设计132.1.1行为级硬件描述语言( Behavioral Level hdi)132.1.2寄存器传输级硬件描述语言( RTL HDI)172.1.3结构化硬件描述语言( Structure HDL)………………………………232逻辑综合(L。 gic Synthesis)…………………272.2.1逻辑综合的基本步骤…282.2.2综合工具 Design Compiler302.2.3目标库和初始环境设置鲁·自自音甲·是着音鲁备.··非曲●d■···●····第三章系统的层次化设计和模块划分353.1设计组成及 DC- Tcl…·自音···········日·········.···卡器日音是·晶自鲁bt·。……353.1.1设计物体( Design Object)鲁音自353.1.2 DC - Tcl简介香看·鲁·鲁·鲁.鲁自春3.2层次( Hierarchy)结构和模块划分( Partition)及修改463.2.1层次结构的概念463.2.2模块的划分…息鲁483.2.3模块划分的修改·看。51第四章电路的设计目标和约束…°。●看。面●554.1设计的时序约束…普·非鲁·鲁击曲■554.1.1同步( Synchronous)电路和异步( Asynchronous)电路…4.1.2亚稳态( Metastability)574.1.3单时钟同步设计的时序约束…血D。e574.1.4设计环境的约束724,1.5多时钟同步设计的时序约束…………794.1.6异步设计的时序约束832专用集成电路设计实用教程4.1.7保持时间( Hold Time)854.2复杂时序约束看香鲁e鲁曲鲁。自鲁自。a。自鲁自。鲁4.2.1多时钟周期( Multi-Cycle)的时序约束874.2.2门控时钟的约束904.2.3分频电路和多路传输电路的时钟约束鲁·看看看鲁924.3面积约束……………………………96第五章综合库和静态时序分析…985.1综合库和设计规则···········.······.··4·a·.·····◆···—985.1.1综合库……5.1.2设计规则1075.2静态时序分析5.2.1时序路径和分组1125.2.2时间路径的延迟1145.2.3时序报告和时序问题的诊断鲁·.···.·自击击合音。甲。。。●。。●……115第六章电路优化和优化策略…1206.1电路优化..···4····;··.·.·.·.·a·a·;··1226.1.1 Synopsys的知识产权库- Design Ware1236.1.2电路优化的三个阶段………………………1266.2优化策略…………1346.2.1编辑策略垂由d垂……1356.2.2自动芯片综合( Automated Chip Synthesis)………………………………1416.3网表的生成格式及后处理144第七章物理综合1487.1逻辑综合(L。 gic Synthesis)遇到的问题……………………1487.2物理综合( Physical Synthesis)的基本流程鲁鲁自谁…………………………1517.3逻辑综合的拓扑技术( Topographical Technology)…………162第八章可测试性设计…1748.1生产测试简介…………1748.2可测试性设计鲁D曹吾音·非·自·········着4鲁4鲁是1768.2.1物理瑕疵和故障模型1768.2.2D算法( D algorithm)1788.3测试协议( Test protocol)1858.4测试的设计规则·●鲁q鲁·音鲁鲁D鲁香曹音音音·自自··。·非鲁曲··●1908.4.1可测试性设计中的时钟信号1908.4.2三态总线和双向端口的测试。非……………………198录8.5门级网表可测试问题的自动修正2048.6扫描链的插入2088.7可测试设计的输出和流程2228.8自适应性扫描压缩技术………225第九章低功耗设计和分析2299.1工艺库的功耗模型…………2319.2功耗的分析…鲁鲁鲁……………2379.3低功耗电路的设计和优化2519.3.1门控时钟电路25293.2操作数分离………2619.3.3门级电路的功耗优化●·4·■D鲁曹春击自由2669.3.4多个供电电压( Multi-VDD)…2749.3.5电源门控………276参考文献……………………281第一章集应电路设计概记集成电路( Integrated Circuits)是现代电子设备的重要组成部分。因此,成功设计集成电路对整个电子信息技术产业的发展起到重要的作用。由于科技的发展,半导体芯片的集成化程度越来越高,设计的系统越来越复杂,规模越来越大,设计的性能越来越髙,功耗也越来越大,这些不断地给芯片设计工程师和电子设计自动化( Electronics Design Automation,简称EDA)厂商提出新的课题和挑战。1.1摩尔定律摩尔提出著名的“摩尔定律”已经40多年了。1965年4月,摩尔在《电子学( Electronics)》杂志上发表文章预言,半导体芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。1975年,他又提出修正说,芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。晶体管数量MOORES LAWIntels Tanuma 2 Processo1000000000ante△nmtele Pentium Pr100000000Intels Pentium m Processoitels Pentium Pro10000000Intelstuma Printels*v Proces1000000Intel388 pre28610000080801000080084004●100019701975198019851990199520002005年度图1.1.1图1.1.1为在过去25年, ntel CPu中晶体管增长的情况。集成电路的规模不断地稳
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制造执行系统（MES）选型与实施指南
制造执行系统（MES）选型与实施指南,带详细目录，文档里面内容可复制。35.5石化行业MES应用案例.35.6小结6036汽车行业需求要点分析…,61361汽车行业生产管理特点362汽车行业合规性363汽车行业典型加工工艺路线一-以某乘用车企业为例..O5364汽车行业MES需求分析64365汽车行业MES应用案例.67366小结37机械行业需求要点分析…16937.1机械行业生产管理问题6937.2机械行业合规性.7237.3机械行业典型加工工艺路线一一以某阀门企业为例…37.4机械行业MES需求分析.……73375机械行业应用案例37.6小结4MES市场发展综述41中国MES市场活跃度分析…17842MES厂商分类………17843中国MES市场厂商分析…4.4中国MES市场主流厂商技术特点分析.45存在的问题及趋势.955MES应用实施分析…975.1概述9752MES系统的需求分析方法521MESs需求分析误区分析.995.2.2MES需求分析范例.53MES选型要点分析∴1065.31MEs选型流程.着着··,1065.32MES招标文件要点分析.108533MES技术评标要点分析…..:.:...::::::.1105.34MES合同签署要点分析1454MES系统实施要点分析.118541详细需求分析……118②542需求变更管理12254.3二次廾发管理.544上线前策划.124545项目验收6MES应用成熟度分析………1277MES典型案例分析…7.1MES助力闪迪实现严密地制造执行监控…13072MES打开DFAC的生产管理黑箱1367.3MES实现约克空调管控一体化.427.4乘“需"而入搭建个性MES平台(未确认)∴…14775MES华润双鹤质量与成本的平衡点(未确认)7.6三星MES案例160附录1MES相关名词解释附录2MES主流厂商、产品与解决方案介纲附2.1 Camstar mes解决方案介绍(木确认)162附2.2明基逐鹿MES解决方案介绍(确认)164附2.3速威MES解决方案介绍(确认66附2.4易往信息MES解决方案介绍(确认)…附2.5三星 SDS MES解决方案介绍(确认)附2.6罗克韦尔MEs解决方案介绍(未确认)172附27开目MES解决方案介绍(确认)174附2.8艾普工华MES解决方案介绍(确认)176附2.9大连华铁海兴MES解决方案介绍(确认)….附2.10西门子MES解决方案介绍(资料不全)…178附2.11灵蛙MES解决方案介绍(木确认)179绪论当前中囻制造企业正努力通过成木缩减、加强质量管理和投产周期的缩短等更加精细化的手段以提升企业竞争力。对于很多制造企业来说,虽然凵经应用了ERP、CRM、PLM等企业级管理软件,但生产制造过程仍然犹如〃箱”,对生产现场的管控能力十分薄弱车间管理者和企业管理人员不能实时、透明地了解生产线上的实际状况,虽然企业的ERP系统下达了生产计划,但是计划的有效执行却依然难以保证。4加工信息不能及时反馈,包括在制品加工信息和工位状态信息等车间在制品的收、发以及工序件的搬运明细无法统计,从而导致在制品库存积压,增加了库存资金占用。斗无法对产品质量指标进行在线检测、统计、显示,尚未建立产品质量追溯体系。无法收集与核算企业各生产工序的成本,通过对生产成本的控制,优化资金流,实时得到动态成本信息。难以实时地采集生产过程的相关信息,如进度信息、关键质量信息等,因此无法快速地对生产变动做出响应。无法对设备进行实时监控,防止设备突发故障车间工人的生产效率无法统计,人力成本无法准确掌握。到底牛产现场发生了什么?制造过程的“黑箱”已绎蒙住了管理层的眼睛,束缚了管理层的手脚长期的实践表明,信息化深化应用是制造企业实现自主创新和转型升级必要支撑。制造业信息化是一个长期的过程,经历了从单元应用、部门应用到企业级应用的过程。很多企业的生产车间虽然实现了自动化和规范管理,但是还缺乏信息系统的支撑,导致ERP应用过程中,生广计划下达之后的执行情况不能及时反馈,使ERP应用难以真正实现对企业的实时管控,也难以实现对生产过程的追溯。同吋,由于缺乏信息化应用系统,车间的⊥人、设各物料等资源还不能合理的调度,导致车间的生产效率不高,生产质量也得不到根木保障。在这种背景下,制造执行系统( Manufacturing Execution System,MES)邀渐成为广大制造企业关注的热点。总的来说,MES系统能在以下方面提升企业的管理水平透明化生产:通过实时的数据采集,及时了解车间的生产情况以及质量状况,将生产计划的执行及时反馈给ERP,打开生产过程中的黑箱。敏捷性生产:掌控所有的生产资源,包括设备、人员、物料信息等,能快速应对生产现场紧急状况,对生产作业计划进行调整并合理调度保让生产顺利进行。生产可追溯:建立完整的生产数据档案,形成全面的正反向追溯体系,界定责任减少召回损失。4生产质量改善:实时采集生产过程中的质量数据,关注事中控制,事后分析,从而持续改善产品质量及时预警:自定义各项生产指标,实时监控指标执行情况,以邮件、短信、看板等多种方式实时主动知会生产中的异常状况,提前发现、及时处理、减少损失。绩效分析:对生产绩效、人员绩效、设备绩效进行分析,为车间、工厂乃至整个集团绩效的改善提供依据。e- works research的研究衣明,中国制造企业对MES需求迫切,但存在盲从的状況;供应商热情很高,概念层出,版木不断,同时进入及准备进入该领域的供应商跃跃欲试,良莠不齐,目前的中国MES市场与2000年前后ERP领域概念满天飞的乱象有些类似。形成目前MES热潮的原因主要有:1.ER在广泛应用的过程中,应用效果并未达到 Gartner给出的ERP原始定义的广度和深度。很多企业用MES完成ERP“未尽的事业”。2.行法规的追溯要求促进了MES系统的广泛应用。3.制造企业广泛采取两级计划体制。车间需要制定详细的作业计划,并付诸实施。4.流程行业信息化的五级模型,确立了MES的地位。5.制造企业精细化管理的需求,管理的粒度更细。MES系统具有很强的行业特性。不同行业、不同生产模式的企业,对于MES的需求有极大的差异。因此,热溯之下,制造企业更应冷静思考如何进行MES的选型与实施,有效规避风险,确保MES应用取得应有效果e- works research的研究表明,企业在MES实施及应用过程中不可避免地面临以下问题需求不清:由于对MES的理解有限,导致对于MES的需求难以准确把握,或需求含糊;希望过高:认为MES是万灵药,能解决之前其他系统实施吋遗留的难题,如信息及时反馈、质量管理、高纵计划排程等,但理想与现实存在较大差距边界不清:MES在功能上与其他信息系统在功能上有一些重叠,如何让芥定不同系统之间的边界?MES又该如何与下、上层系统之间得到集成?重点含糊:MES有11个标准模块,哪些模块是关键,实旌先后如何?士个性淹没:牛产模式的个性决定了MES需求的个性,呈现很强的行业特点。如何在不失先进性的同时有效把握自身的个性化需求?选型难定:面对众多的MES不同的解决方案,企业如何拨开迷雾,进行科学选型?准备不足:MES是需要大量的基础数据来支撑的,而且很多数据是需要从前期的信息系统中获得,由于准备不足,随着MES实施的深入,相关问题集中爆发。评估缺失:蚀乏合理的、科学的MES的应用评估体系,价值难以凸显,持续深化应用乏力些MEs供应商虽然对MES的相关理论及自身产品非常熟悉,但是对制造企业的真正需求缺乏理解和分析。销售人员为了获得订单,盲目承诺满足企业的功能需求,导致实施过程中才发现系统满足不了客户的需求,需要进行大量二次开发,增加了实施成本。述问题成为企业实施和应用MES的难题,甚至直接导致了个业MES项目流产总之,虽然MES的应用热潮已经来临,但对于广大的中国制造企业而言MES还处于刚刚起步阶段,很多企业还处于概念理解、需求认知和应用摸索阶段。为此,e- works research积聚业内专家资源、深入了解企业需求、洞察主流供应商技术发展趋势的基础上,站在中立、客观、全面的角度,发布《制造执行系统(MES)选型与实施指南》,有效地帮助制造企业全面了解MES技术与发展现状,推进MES在制造企业的顺利实施和成功应用。本《指南》的内容和结构划分为:第1章MES的定义与发展。正本清源,介绍MES的定义与MES的背景和发展历程,阐述 e-works research对MES的理解。第2章企业对MES系统的功能需求。本章阐述MES系统应该具各的基本性能和核心功能,并综述了不同行业间的MES应用差别。第3章典型行业MES需求要点。不同行业、不同企业对MES的功能需求有很大的不同,本章挑选了电子、食品饮料、钢铁、石化、汽车和机械,六个有代表型的行业,分析每个行业的MES个性化需求。第4章MES市场发展综述。本章详细了中国MEs市场的发展情况,对市场中的厂商进行了分类,并分析了主流厂商的技术特点。第5章MES应用实施分析。本章详述企业在进行MES实施时应注意的问题,包括明确项目范围、形成项目团队、确定项目需求、合理选择供应商、有计划组织实施及实施上线后的定期评估及持续优化等环节。第6章MES应用成熟度分析。本章介绍了MES深化应用五级戊熟度模型,每个级别MES应用应达到的效果。第7章MES典型案例分析。木章选取了有代表性的6个MES应用案例,为不同行业的企业实施MES提供实例参考。附录1MES相关名词解释。常用的MES名词解释附录2MES主流厂商、产品与解决方案介绍。介绍了国内外主流的MES产品和解决方案1MES的定义与发展1MES的发展历程从20世纪70年代后半期开始,就已经出现了一些解决单一问题的车间管理系统,如设各状态监控系统、质量管理系统,以及涵盖生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。各个企业引入的只是单一功能的软件产品或系统,而不是整体的车间管理解决方案。1990年11月,AMR( Advanced Manufacturing research)明确提出MES概念。AMR提出三层结构的信息化体系结构,将位于计划层和控制层之间的执行层叫做MES,确立了MES的地位。此后,SA( The Instrumentation Systems and Automation Society,仪表、系统和自动化协会)描述了MES模型,包括了工厂管理(资源管理、调度管理、维护管理)、工厂工艺设计(文档管坦、标准管理、过程优化)、过程管理(回路监督控制、数据采集)和质量管理(sQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管珄系统)4个主要功能,并由实时数据库支持。在20世纪90年代初期,MES的重点是生产现场的信息整合。MESA( Manufacturing Execution System Association,制造执行系统协会)于1997年提岀了MESs功能组件和集成模型,该模型包括11个功能模块。这一时期,大量的硏究机构、政府组织参与了MES的标准化工作,进行相关标准、模型的研究和开发,其中涉及分有对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术进入2000年后,MES作为信息化应用的重要组成部分得到了市场的广泛关注,MES领域的并购十分活跃,越来越多的北美和欧洲MES软件厂商进入中国,中国本土不少自动化厂商,以及PLM和ERP软件厂商也开始进入MES市场。随着企业加强精细化管理,以及面临着越来越严格的质量追溯和管控需求,越来越多的大中型制造企业开始重视MES的应用,并丌始进行MES选型与实施,并在MES应用和集成方面取得显著成效。国际主流MES丿商在推广MES的过程中,进一步提出了制造运行管理(MOM)以及制造智能(M)等新理念,赋予了MES更加丰富的内涵。各大厂商通过技术的革新搭建了基于SOA架构的软件平台,并在数据库、应用技术、系统功能、可配置性等方面都有重要的突破12MES的定义国外不同的组织和研究机构形成了很多MES的理论和体系,包括MES的定义、定位模坦、功能模型、数据流模型,甚至实施方法模型,但是并没有统-ε比较著名的有以卜几个:1、AMR对MES的定义美国先进制造研究机构AMR将MES定义为“位于上层计划管理系统与底层⊥业控制之间的、面向车间层的管理信息系统〃,为操作人员、管理人炅提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态。AMR提山了决策层、执行层和控制层的企业信息集成三层业务模型:第层决策层(ERP)主要为企业提供全面管理决策;第二层执行层(MES)主要负责车间缴的协调、跟踪、发现并监控相关趋勢;第三层控制层(SFC)直接负责工)生产控制的环节2、MESA对MES的定义制造执行系统协会MESA对MES的定义为MES能通过信息传递,对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时,MES能对此及时做出反应、报告,并利用当前的准确数据对他们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少内部没有附加值的活动,有效的指导工厂的产运作过稈,从而使其既能提高工厂及时交货能丿、改善物料的流通性能,又能提高牛产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。MESA对MES的定义强调了以下三点:(1)MES是对整个车间制造过程的优化,而不是单一解决某个生产瓶颈。(2)MES必须提供实时收集生产过程数据的功能,并做出相应的分析和处理(3)MES需要与计划层和控制层进行信息交互,通过企业的连续信息流来实现企业信息集成。3、ISA对MES的定义关国标准化组织(ISA)从1997年启动编制《SA95企业控制系统集成标准》,其日的
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