数字IC设计入门（微课视频版）

前言
芯片行业在中国原本是一个默默无闻的行业。几十年来，国内总有两种声音，一种是拿来主义，“自己研发做什么，买来就好了”； 另一种是要自己做芯片。说真的，在2010年以前，笔者还在读研究生时，根本没想过中国需要做芯片，以及中国能做芯片。笔者的计算机用的是Intel的CPU及模组，内存是三星的，毕设用的是TI的DSP，直到我找到了一份芯片研发的工作，才知道中国也有做芯片的行业，但是，当时国内的产品生产商对国产芯片抱着十分怀疑的态度，寻找各种理由，拒绝使用国产芯片，国产芯片生存的空间只有两个： 其一就是完成国家任务，例如某某基金、项目、课题，或销售给军队，完成国产化率指标； 其二就是国内大厂自己做一个性能较差的芯片，以此要挟国外芯片供货商，“如果要提价，我们有备份”，于是国外厂商就不敢提价，直到年头久了，国外芯片技术更新换代，大厂自己的备份失去了要挟的能力，才又组织人力重新研发一次。可见当时国内芯片产业的生态是多么恶劣。

芯片研发的门槛高，从业者大多是硕士或博士，在芯片名不见经传的时代，芯片工程师薪资待遇差，劳动强度高，加班加点是常有的事，被人戏称为“没钱又没闲的一群人”。只能看着隔壁互联网、游戏等行业的高薪流口水，很多从业者转行去了互联网，或改做FPGA产品。由于高校培养的专门人才少之又少，人力缺口只能由其他专业的人来填补，例如笔者就是从通信和信号专业转过来的，但笔者当时也不是专门要找做芯片方面的工作，合同签的是软件开发，误打误撞被分配来做芯片，这种实际工作和意向书不一致的情况，也是大厂的常规操作。

近些年，美国逐渐开始了针对中国的贸易战，特别是加大了对中国科技产业的制裁和封锁。在这场没有硝烟的战争中，芯片出人意料地站在了风口浪尖，成为美国要挟中国的利器。过去一直高喊“买买买”的产品经理们不作声了，因为他们要么已经被禁止买入，要么就是在被禁的路上。一时之间，如何打破美国在芯片界的垄断地位，建立独立且完整的芯片研发、制造产业链，突然成为国家战略的重中之重。在这一国际形势的影响下，无论大厂小厂，“芯片替换运动”正在逐渐展开，大家都希望尽早用国产芯片替代随时可能断供的国外芯片。这一替换也使人们发现，原来我国在芯片领域有这么多短板需要填补，很多细分市场长期以来无人问津，或未得到应有的重视，例如CPU领域、存储领域、网络处理领域、无线通信领域、模拟芯片领域等。面对这些空白或短板，喜欢赚快钱的资本，在国家的引导下，进入了芯片行业，在一定程度上促进了近些年来国内芯片业的快速发展。同时也必须看到，目前国内芯片行业，正处在群雄并起，逐鹿中原的战国时代，必然会经历一场激烈的竞争，完成它的大清洗。我相信，经过充分的竞争与重组后，我国芯片业将会越来越有竞争力，面对美国的威胁，我们将有更多话语权，芯片业将会成为推动国内工业创新与发展，捍卫我国世界第一工业国地位的重要行业。

随着芯片行业的快速发展，人才缺口越来越大，希望进入芯片行业，从事设计、验证等相关工作的学习者也为数众多，但对于新人来讲，芯片行业分工细致，产品形态繁多，术语五花八门，想要入门不是一件易事。本书正是为了满足这些读者的需要而撰写的。笔者从业十余年，转战过芯片研发的多个领域，如算法、RTL前端设计、验证、综合、FPGA、驱动软件等，曾独立完成多款小型芯片的数字全流程开发，经验覆盖数字、模拟等多个细分领域，参与研发的芯片量产累计已达上亿颗。这使笔者对芯片流程各领域都有所了解，并且笔者同样也是非科班出身，在工作中从零开始学习芯片，初学者可能遇到的“坑”，笔者大都跳进去并且爬上来过，因而更了解初学者的学习心理和知识需求。希望这本书可以帮助读者排除心中的种种迷雾和疑团，从宏观上和微观上都更加了解芯片，迅速成长，早日摘掉“萌新”的帽子。

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笔者的阅历有限，书中难免存在疏漏，希望读者热心指正，在此表示感谢。

白栎旸
2023年5月
于南京

本书旨在向广大有志于投身芯片设计行业的人士及正在从事芯片设计的工程师普及芯片设计知识和工作方法，使其更加了解芯片行业的分工与动向。 本书共分9个章节，从多角度透视芯片设计，特别是数字芯片设计的流程、工具、设计方法、仿真方法等环节。凭借作者多年业内经验，针对IC新人关心的诸多问题，为其提供了提升个人能力，选择职业方向的具体指导。本书第1章是对IC设计行业的整体概述，并解答了IC新人普遍关心的若干问题。第2章和第3章分别对数字IC的设计方法和仿真验证方法进行了详细阐述，力图介绍实用、规范的设计和仿真方法，避免了Verilog语法书中简单的语法堆砌及填鸭式的灌输。第4章是在前两章的基础上，通过实例进一步阐述设计方法中的精髓。第5章详细介绍了作为当今数字芯片主流的SoC芯片架构和设计方法，并对比了非SoC架构的设计，无论对SoC芯片还是非SoC芯片设计都极具参考价值。第6章介绍了3种常用的通信接口协议，同时也可以作为IC设计方法的总结和练习。第7章介绍了数字IC设计必须具备的电路综合知识和时序约束知识。第8章对数字IC设计中常用工具及其操作方法进行了介绍，能够帮助新人快速上手。第9章总结归纳了一些学习数字IC设计的方法及如何进行职业发展方向的规划等热点问题。书中的一些重点内容和实操环境，都配有视频予以详细讲解，能够帮助读者更深入地掌握书中内容。 本书可作为数字芯片设计的科普书，供希望进入该行业的人士或希望了解芯片界动向的人力资源行业人士及芯片创业者阅读。也可作为技术参考书，供学习和从事设计的学生和工程师阅读。

白栎旸，厦门大学通信系硕士，芯片设计与算法工程师，WiFi芯片算法负责人。先后供职于多家国内知名芯片公司和创业团队，从事数字电路架构和算法设计工作，具有丰富的数字设计经验和算法经验，以及长期与模拟设计团队联合设计数模混合电路的经验，擅长射频电路相关数字校准算法设计及SoC芯片的架构设计，主持研发的芯片累积产量已达上亿颗。作为第一发明人已获授权的国家发明专利共4项。移知课程“从算法到RTL实现”主讲人。

目录

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第1章IC设计行业概述

1.1IC设计公司的分类

1.2数字IC设计流程

1.3模拟IC设计流程

1.4芯片整体规划

1.5IC设计工具

1.6IC设计公司的分工和职位

1.7选择设计还是验证

1.8模拟IC设计与数字IC设计的区别

1.9数字IC设计与FPGA开发的区别

1.10芯片设计的未来发展趋势

1.11关于本书描述方法的约定

第2章基于Verilog的数字IC设计方法（162min）

2.1数字器件与Verilog语法的关系

2.2可综合的Verilog设计语法

2.3对寄存器的深度解读

2.4阻塞与非阻塞赋值的区别

2.5组合逻辑的表达方式

2.6组合逻辑中的选择器

2.7Verilog中的for循环

2.8逻辑运算符号优先级

2.9组合逻辑与时序逻辑混合表达

2.10Verilog中数值的表示方法

2.11信号的状态类型

2.12电平信号与脉冲信号

2.13对信号打拍就是保留历史的记忆

2.14驱动和负载

2.15Verilog中模块和信号的声明方式及模块例化方法

2.16Verilog的注释和换行方法

2.17带参数的Verilog

2.18Verilog中的宏定义

2.19function的使用

2.20状态机设计

2.21电路的时序

2.22流水线设计方法

2.23跨时钟域异步处理方法

2.24时钟和复位信号的起源

2.25异步复位同步释放原则

2.26无毛刺的时钟切换电路

2.27组合环

2.28RTL的前向设计法和后向设计法

2.29自顶向下的设计和自底向上的设计

2.30原理图和时序图

2.31在时序逻辑和组合逻辑之间选择

2.32signed声明的妙用

2.33数字逻辑中浮点数值的定点化方法

2.34运算的溢出与保护

2.35在RTL中插入DFT的方法

2.36需要进行元器件例化的几种情况

2.37对于大的扇入和扇出的处理

2.38低功耗设计方法

2.39用IP“攒”一颗芯片

2.40设计规范和习惯

2.41数字电路的布局布线流程简介

第3章仿真方法（112min）

3.1设计者仿真与验证工作的区别

3.2仿真平台的一般架构

3.3Verilog和System Verilog

3.4Testbench文件的基本结构

3.5时钟和复位的产生

3.6灵活的等待方式

3.7信号类型的扩展和强制转换

3.8log的打印

3.9内建功能函数

3.10仿真器也会出错

3.11前仿中的真相与假象

3.12从DUT中直接获取信号

3.13数据预读取

3.14将仿真数据以文本形式输出

3.15并行处理的方法

3.16建立模型的方法

3.17task的使用

3.18双向驱动线的处理

3.19灵活的数组寻址

3.20通过脚本控制TB行为

3.21下载波形的语句

3.22VCS工具的仿真设置

3.23ModelSim工具的仿真设置

3.24Incisive工具的仿真设置

3.25随机数

3.26后仿设置

3.27仿真案例的管理方法

3.28覆盖率统计

3.29学会Debug思维

3.30验证方法学简介

3.31断言简介

3.32仿真和实验

第4章基础模块设计举例（83min）

4.1计数器的设计

4.2同步FIFO的设计

4.3异步FIFO的设计

第5章SoC芯片设计（164min）

5.1SoC架构

5.2关于CPU的一些概念

5.3简单SoC结构及存储器类型

5.4SoC芯片中常用的外围设备

5.5SoC内部程序的运行过程

5.6程序的分散加载

5.7SoC芯片程序的烧写方式

5.8SoC芯片的参数校准

5.9SoC芯片的上电异常保护

5.10ARM CortexM0介绍

5.11中断机制

5.12SCS配置

5.13ARM CortexM0的集成

5.14通过软件验证设计

5.15产品级芯片集成

5.16AHB总线协议

5.17AHB设备的设计

5.18APB总线协议

5.19APB设备的设计

5.20SoC芯片时钟与复位信号的设计

5.21SoC芯片的休眠策略设计

5.22SysTick的集成和使用

5.23非SoC架构的芯片

第6章简单接口协议及设计（72min）

6.1SPI

6.2I2C

6.3UART

第7章综合环境的搭建和时序约束（141min）

7.1TCL基本语法

7.2综合环境的搭建

7.3时序分析基础

7.4时序约束

7.5综合时序分析与后端时序分析的异同

第8章设计工具介绍（15min）

8.1Gvim

8.2Spyglass

8.3Formality

8.4Perl

第9章数字IC工程师的成长与提高

9.1学习方法

9.2选择合适的方向

9.3数字工程师与模拟工程师的协作

9.4数字工程师与软件工程师的协作

9.5写在最后

本书旨在向广大有志于投身芯片设计行业的人士及正在从事芯片设计的工程师普及芯片设计知识和工作方法，使其更加了解芯片行业的分工与动向。 本书共分9个章节，从多角度透视芯片设计，特别是数字芯片设计的流程、工具、设计方法、仿真方法等环节。凭借作者多年业内经验，针对IC新人关心的诸多问题，为其提供了提升个人能力，选择职业方向的具体指导。本书第1章是对IC设计行业的整体概述，并解答了IC新人普遍关心的若干问题。第2章和第3章分别对数字IC的设计方法和仿真验证方法进行了详细阐述，力图介绍实用、规范的设计和仿真方法，避免了Verilog语法书中简单的语法堆砌及填鸭式的灌输。第4章是在前两章的基础上，通过实例进一步阐述设计方法中的精髓。第5章详细介绍了作为当今数字芯片主流的SoC芯片架构和设计方法，并对比了非SoC架构的设计，无论对SoC芯片还是非SoC芯片设计都极具参考价值。第6章介绍了3种常用的通信接口协议，同时也可以作为IC设计方法的总结和练习。第7章介绍了数字IC设计必须具备的电路综合知识和时序约束知识。第8章对数字IC设计中常用工具及其操作方法进行了介绍，能够帮助新人快速上手。第9章总结归纳了一些学习数字IC设计的方法及如何进行职业发展方向的规划等热点问题。书中的一些重点内容和实操环境，都配有视频予以详细讲解，能够帮助读者更深入地掌握书中内容。 本书可作为数字芯片设计的科普书，供希望进入该行业的人士或希望了解芯片界动向的人力资源行业人士及芯片创业者阅读。也可作为技术参考书，供学习和从事设计的学生和工程师阅读。

白栎旸，厦门大学通信系硕士，芯片设计与算法工程师，WiFi芯片算法负责人。先后供职于多家国内知名芯片公司和创业团队，从事数字电路架构和算法设计工作，具有丰富的数字设计经验和算法经验，以及长期与模拟设计团队联合设计数模混合电路的经验，擅长射频电路相关数字校准算法设计及SoC芯片的架构设计，主持研发的芯片累积产量已达上亿颗。作为第一发明人已获授权的国家发明专利共4项。移知课程“从算法到RTL实现”主讲人。