一种数模混合SoC设计协同仿真的验证方法
时间：04-09
来源：互联网
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随着微电子工艺制造技术和电子设计自动化技术的飞速发展，集成电路已经进入系统芯片即SoC（System on Chip）时代。SoC芯片设计将数字电路、模拟电路、微处理器等集成在单一的硅芯片上，构成一个系统，实现复杂的功能。如何评估和验证数模混合SoC芯片，成为当今芯片设计者一个新的挑战。
1 固网短信电话专用SoC芯片介绍
固网短信是中国电信开通的一项通过固定电话网收发短信息的业务，由中国电信、上海贝尔、步步高、中兴通讯等公司联合进行固网信服务平台的建设。目前已在许多地区开通了这项业务。
固网短信电话专用SoC芯片是固网信息电话终端专用的微处理器芯片（以下简称为SMS芯片）。其内嵌了一个8位的微控制器（MCU，MicroController Unit），并且集成了电话主叫识别信息传送模块（CID，Calling Identity Delivery）和双音多频编码模块（DTMF，Dual Tone Multi Frequency），使固网电话支持在固网短信服务平台上接收和发送短消息。
SMS芯片的结构框图如图1所示。
SMS芯片的主要功能是：
①CID模块识别并解调电话线上的FSK调制信号；A/D接口模块将解调后的模拟信号转换为数字信号传递给MCU，MCU对该数字信号进行一定的处理后在LCD上显示信息。
②MCU将键盘输入的信息转换为数字信号，经A/D接口模块传递给DTMF模块，实现拨号功能。
SMS芯片的设计主要分为两部分，数字部分和模拟部分并行实现。数字部分采用基于标准单元的ASIC设计流程，其中RAM为IP模块；模拟部分采用全定制设计流程，最后将两部分整合到一块芯片上，构成SoC芯片。芯片的功能和时序验证是设计过程中的重要环节。为了实现芯片产业化，缩短设计周期，必须对数字部分、模拟部分和数模信号接口部分进行严格的功能和时序验证。
2 SMS芯片验证方案
SMS芯片数模混合设计的特点使其无法简单地使用一种仿真器进行验证，但考虑到其数模接口信号是数字的（如图1），我们可以选择以下几种验证方案。
（1）传统的验证方法
数字部分采用级仿真，通过反复调试，尽可能发现问题；模拟部分采用晶体管级仿真，以验证其正确性，如果模拟部分规模较大可以自底向上进行验证。这种验证方法无法对整个系统进行同步仿真，因此需要分别对数字部分和模拟部分的接口引脚时序进行严格的定义和验证。
（2）仅使用数字仿真器的验证方法
首先对芯片的模拟部分进行晶体管级仿真，然后根据仿真结构对模拟部分输出的数字信号时序进行Verilog行为级建模，再将该模型和数字部分一起用数字仿真器验证。这种方法仿真速度比较快，但模拟部分每进行一次修改，设计者就得重新对其进行仿真和建模；而这样的修改对于模拟部分又是比较频繁的，因此这种验证方法需要花费大量人力进行建模。
（3）仅使用模拟仿真器的验证方法
整个系统不论数字部分还是模拟部分都采用晶体管级仿真，这种验证方法不需要设计者进行任何建模，相对比较简单；但其用于仿真的时间比较长，特别是当芯片规模达到一定程度时，仿真需要花费的时间往往是设计者所不能接受的。
（4）数字仿真器与模拟仿真器协同仿真的验证方法
为了充分利用数字仿真器和模拟仿真器各自的优点，解决混合信号同步仿真问题，许多EDA供应商提供一种协同仿真的方法，即通过一个“平台”将一个模拟仿真器和一个数字仿真器连接起来。数字部分用数字仿真器仿真，模拟部分用模拟仿真器仿真，数字部分和模拟部分的接口信号通过“平台”实现同步。这种验证方法提高了仿真效率，实现了对整个系统的仿真。不过虽然“平台”可以提供两个仿真器间的同步功能，但却忽视了混合信号建模的主要问题，使设计者必须人工地在两个仿真器间并行混合信号模型的划分。
SMS芯片中数字电路MCU不适合也不需要采用晶体管级仿真。同时，由于数字部分和模拟部分之间存在数据的传送和接收，这就使数模接口部分的功能和时序验证显得尤为重要。因此，我们将采用数模混合协同仿真技术对SMS芯片进行验证，数字部分采用门级仿真，模拟部分采用晶体管级仿真，通过“平台”实现对整个系统的同步仿真，以验证其数字部分和模拟部分接口的功能和时序。
3 仿真环境
在我们所采用的仿真环境中，数字仿真器使用Synopsys公司的VCS，模拟仿真器使用该公司的NanoSim，VCS-ACE则是连接这二者的“平台”。这三者之间的关系如图2所示。
（1）VCS
VCS是编译型Verilog模拟器，完全支持OVI标准的 Verilog HDL语言、PLI和SDF。VCS具有目前行业中最高的模拟性能，支持千万门级的ASIC设计，而其模拟精度也完全满足深亚微米ASIC Sign-Off的要求。VCS是Synopsys完整的验证解决方案核心。
（2）NanoSim
NanoSim集成了业界最优秀的电路仿真技术，是一种具有高速、高处理能力的新一代深亚微米晶体管级电路仿真器；支持Verilog-A和VCS仿真器的接口，能够进行高级电路的仿真，其中包括存储器仿真和混合信号的仿真。
1 固网短信电话专用SoC芯片介绍
固网短信是中国电信开通的一项通过固定电话网收发短信息的业务，由中国电信、上海贝尔、步步高、中兴通讯等公司联合进行固网信服务平台的建设。目前已在许多地区开通了这项业务。
固网短信电话专用SoC芯片是固网信息电话终端专用的微处理器芯片（以下简称为SMS芯片）。其内嵌了一个8位的微控制器（MCU，MicroController Unit），并且集成了电话主叫识别信息传送模块（CID，Calling Identity Delivery）和双音多频编码模块（DTMF，Dual Tone Multi Frequency），使固网电话支持在固网短信服务平台上接收和发送短消息。
SMS芯片的结构框图如图1所示。
SMS芯片的主要功能是：
①CID模块识别并解调电话线上的FSK调制信号；A/D接口模块将解调后的模拟信号转换为数字信号传递给MCU，MCU对该数字信号进行一定的处理后在LCD上显示信息。
②MCU将键盘输入的信息转换为数字信号，经A/D接口模块传递给DTMF模块，实现拨号功能。
SMS芯片的设计主要分为两部分，数字部分和模拟部分并行实现。数字部分采用基于标准单元的ASIC设计流程，其中RAM为IP模块；模拟部分采用全定制设计流程，最后将两部分整合到一块芯片上，构成SoC芯片。芯片的功能和时序验证是设计过程中的重要环节。为了实现芯片产业化，缩短设计周期，必须对数字部分、模拟部分和数模信号接口部分进行严格的功能和时序验证。
2 SMS芯片验证方案
SMS芯片数模混合设计的特点使其无法简单地使用一种仿真器进行验证，但考虑到其数模接口信号是数字的（如图1），我们可以选择以下几种验证方案。
（1）传统的验证方法
数字部分采用级仿真，通过反复调试，尽可能发现问题；模拟部分采用晶体管级仿真，以验证其正确性，如果模拟部分规模较大可以自底向上进行验证。这种验证方法无法对整个系统进行同步仿真，因此需要分别对数字部分和模拟部分的接口引脚时序进行严格的定义和验证。
（2）仅使用数字仿真器的验证方法
首先对芯片的模拟部分进行晶体管级仿真，然后根据仿真结构对模拟部分输出的数字信号时序进行Verilog行为级建模，再将该模型和数字部分一起用数字仿真器验证。这种方法仿真速度比较快，但模拟部分每进行一次修改，设计者就得重新对其进行仿真和建模；而这样的修改对于模拟部分又是比较频繁的，因此这种验证方法需要花费大量人力进行建模。
（3）仅使用模拟仿真器的验证方法
整个系统不论数字部分还是模拟部分都采用晶体管级仿真，这种验证方法不需要设计者进行任何建模，相对比较简单；但其用于仿真的时间比较长，特别是当芯片规模达到一定程度时，仿真需要花费的时间往往是设计者所不能接受的。
（4）数字仿真器与模拟仿真器协同仿真的验证方法
为了充分利用数字仿真器和模拟仿真器各自的优点，解决混合信号同步仿真问题，许多EDA供应商提供一种协同仿真的方法，即通过一个“平台”将一个模拟仿真器和一个数字仿真器连接起来。数字部分用数字仿真器仿真，模拟部分用模拟仿真器仿真，数字部分和模拟部分的接口信号通过“平台”实现同步。这种验证方法提高了仿真效率，实现了对整个系统的仿真。不过虽然“平台”可以提供两个仿真器间的同步功能，但却忽视了混合信号建模的主要问题，使设计者必须人工地在两个仿真器间并行混合信号模型的划分。
SMS芯片中数字电路MCU不适合也不需要采用晶体管级仿真。同时，由于数字部分和模拟部分之间存在数据的传送和接收，这就使数模接口部分的功能和时序验证显得尤为重要。因此，我们将采用数模混合协同仿真技术对SMS芯片进行验证，数字部分采用门级仿真，模拟部分采用晶体管级仿真，通过“平台”实现对整个系统的同步仿真，以验证其数字部分和模拟部分接口的功能和时序。
3 仿真环境
在我们所采用的仿真环境中，数字仿真器使用Synopsys公司的VCS，模拟仿真器使用该公司的NanoSim，VCS-ACE则是连接这二者的“平台”。这三者之间的关系如图2所示。
（1）VCS
VCS是编译型Verilog模拟器，完全支持OVI标准的 Verilog HDL语言、PLI和SDF。VCS具有目前行业中最高的模拟性能，支持千万门级的ASIC设计，而其模拟精度也完全满足深亚微米ASIC Sign-Off的要求。VCS是Synopsys完整的验证解决方案核心。
（2）NanoSim
NanoSim集成了业界最优秀的电路仿真技术，是一种具有高速、高处理能力的新一代深亚微米晶体管级电路仿真器；支持Verilog-A和VCS仿真器的接口，能够进行高级电路的仿真，其中包括存储器仿真和混合信号的仿真。