数字集成系统-Y图报告

“Y -chart ”模型模型调研报告调研报告

————关于设计的抽象层次与行为关于设计的抽象层次与行为 1 概述

在集成硬件电路设计过程中一直存在一个问题，即如何表示从抽象层次的描述到物理上的实现之间的过程。1983年，Daniel D. Gajski 第一次以文件的形式公开了“Y-chart ”理论。该理论认为硬件设计的抽象层次可以在三个域中表示：行为域（也称为功能域）、结构域和几何域。 “Y-chart ”理论高度抽象了硬件设计的各个层面，设计者可以再不同的层次上将重点放在该层次的关键方面，而忽略不必要的细节，使得硬件设计可以在这三个域中进行阶梯式的设计与优化。 2 “Y-chart ”模型

“Y-chart ”模型是将设计在行为域、结构域和几何域这三个域中进行，每个域又分为不同的结构化层次（抽象层次）。如图2.1所示。

图 2.1 “Y-chart ”模型

2.1行为域

在行为域中，一个部件通过定义它的输入与输出来描述响应，功能实体被抽象成一个黑盒子，在行为域中看不见它的几何信息与结构信息。这使得设计好的复杂模块可以重复利用，使IC的大规模设计成为可能。就是说，在行为域中只注重实体的功能与外部接口，而不注重实体内部的结构和实现。

行为描述一般是使用HDL做文字性的表述。

2.2结构域

在结构域中，一个部件通过一些基本的部件（逻辑门与触发器）互连来表述。在结构域中，只能看见基本部件之间的逻辑结构，而看不见他们之间的几何结构、尺寸等信息。结构域中注重实体内部的逻辑结构，但是不考虑实体的物理实现。行为域和几何域通过结构域中的表示而联结起来，在一些简单的设计中，结构域中的表示可以替代行为域中的表示。

2.3几何域

在几何域中表示系统时，制定了每个基本部件在硅片中的尺寸信息、位置信息以及部件间的物理互连信息。（几何域的表示是以掩膜的形式确定了N/P型半导体在硅晶片上的扩散信息和金属互连线的结构信息。）

3设计中的抽象层次

“Y-chart”模型的每个域又分为不同的结构化层次(抽象层次)，使设计者能够在保证充分而不过多的细节的条件下来描述系统，这些抽象层次如图2.1所示，包括：系统级、芯片级、RTL级，逻辑门级以及电路级（硅片级）。电路级是最低的层次，系统级是最高的层次。抽象等级越高，所考虑的细节就越少；抽象等级越低，所考虑的细节就越多，但是也越接近物理实现。

3.1系统级

系统级在结构化层次中的最高级。

在系统级这一层，行为域的表述通常是对系统的功能与性能指标做出详细的规范，如工作速率、带宽等。一般使用自然语言形成正式文档。

系统级的结构域表述通常是将系统级的基本部件互连，形成结构化的模型，一般以图形或文本的方式来描述，说明系统内部的逻辑结构。

3.2芯片级

芯片级的行为域描述一般是使用算法说明某一部件所实现的功能。在这一级的行为域表述中，通过HDL对某种算法进行代码编写，实现指定部件的I/O响应，使这个部件成为芯片级模型。复杂电路的芯片级模型通常可以重复使用，通常被当做知识产权，如Cortex-M系列的ARM内核即为芯片级模型。

芯片级的结构域描述通常是将芯片级的基本部件互连，形成一个更大的芯片级的逻辑模块。芯片级的基本部件的基本部件一般是通过行为级表示实现的。3.3RTL级

RTL级的行为域表示一般是通过使用HDL语言编写真值表或者有限状态机，从而实现基本功能块。RTL级是IC器件的主要设计层次。

RTL级的结构域描述是将RTL级的基本部件互连，一般通过网表的形式表示。

3.4逻辑门级

逻辑门级的行为域表示是使用HDL语言编写简单的布尔方程实现组合逻辑电路和时序逻辑电路。逻辑门级也是IC器件的主要设计层次。

逻辑门级的结构域描述是将逻辑门级的基本部件互连，一般通过网表的形式表示。

3.5电路级

电路级的行为域表示是通过微分方程的形式表述基本元件的电气连接关系，通过半导体材料的相关特性方程描述基本元件的特性。

电路级的结构域表示是将基本元件互连，在确定逻辑结构时，也确定了物理结构。

电路级的几何域表示是生成掩膜结构，用来加工芯片。这种掩膜结构通常被用来当做IP（硬核）？

4设计中的行为

一般来说，IC设计中主要包括如图4.1中所示的行为。具体根据不同厂家的集成开发环境而不同。

图4.1 IC设计中的行为

5“Y-chart”模型中的不足

“Y-chart”模型使IC设计大规模化，而且更加复杂，，但是也正因为如此，使得“Y-chart”模型的不足之处显现出来，比如“Y-chart”模型没有对数据、仿真时序和测试进行抽象表示等。然而，这些不足因为VHDL的特性而得以弥补。6总结

通过这次调研与学习，我了解了IC设计过程中的相关基本定义以及“Y-chart”

模型的基本结构与相关理论，对FPGA/CPLD的开发有了深一步的理解。

“Y-chart”模型虽然有不足之处，但是它使IC设计得以分层化、概念化、可视化，许多其他的模型（如“X-chart”模型、Rugby模型等）正是在“Y-chart”模型基础之上完善的。而且，Daniel D. Gajski在构建“Y-chart”模型时所体现的方法与哲理是非常值得借鉴与深思的。

7参考文献

1.W.Ecker，M.Hofmeister : “The Design Cube - A Model for VHDL Designflow

Representation”.

2.Daniel D. Gajski：“System-Level Abstraction Semantics”.

3.Daniel D. Gajski，Robert H. Kuhn：“New VLSI Tools”.

4.Axel Jantsch, Shashi Kumar, Ahmed Hemani :“The Rugby Model: A

Conceptual Frame for the Study of Modelling, Analysis and Synthesis

Concepts of Electronic Systems”.

5.J.R.Armstrongs，F.Gray:”VHDL:表示与综合”。