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1、第 8 章集成电路的布局与布线简介1.版图设计的步骤大规模集成电路的布局与布线和设计的方式有密切关系，常用的设计方式主要有全定制式、半定制式和定制式等三类方式。1全定制式全定制式是像一般设计过程那样，由设计者按设计要求一步一步地设计，组合出各种逻辑电路，当然在设计中也会采用部分现成的电路，但是整个设计是在电路模块形式和位置没有限制的情况下组成电路，进行布局和布线。2半定制式半定制式则是事先已经有了若干种具有各种功能的成品或半成品作为单元，在已有单元的基础上进行电路的组合。这时采用何种单元进行设计就可以有多种方式了。其中叫做标准单元的方法是利用称为标准单元的现成电路单元进行设计。这些标准单元的物
2、理版图都是等高不等宽的结构，其引出线也都是规范化的，如图8 1所示。标准单元法就是在这种基础上，用标准单元构成大规模集成电路。这种方式便于布图和布线，应用较广。显然，标准单元是按一定工艺设计好了的逻辑单元，在布图时是不能改变的，工艺更新时先要更新单元库，和全定制式相比布图时会出现冗余空间，密度不能很高。把标准单元做成各种逻辑门，以门为单位排成一定阵列进行布局和布线的方式，称为门阵列式。门阵列中，留有规则的布线通道，用以连接各门单元。上述的单元，都不是已经生产出来的单元，而是准备好的生产单元用的各种母片，布图和布线达到要求后，按确定下来的布图和布线将母片投入生产工艺。由于单元在构成时要考虑能适用
3、于较多的用途，母片中设置的晶体管数相对要多，使用时会成为冗余的晶体管，接线通道也成倍数地增多，集成电路的面积难免会有浪费，因此，适用于中、小批量电路产品的设计与生产。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -3定制方式定制方式的设计是把各种基本逻辑单元事先设计完好，形成独立的功能单元，放在库中存储，设计时调出功能单元组合成各种电路。这些功能单元也可以是寄存器、算数逻辑单元、存储器等，对形状也没有统一的要求。这种设计法也叫通用单元法或积木块法。不同的设计方法有不同的布局与布线要求，相应地，在利用计算机自动设计时需要采取不同的计算方法和程序。但不论是那种设计方法，自动
4、布局与布线的的基本流程，都是如图 8 2 所示，先从整个逻辑电路构成后形成相应的文件（电路的网表）开始，把千百万个晶体管电路划分为若干个模块，再根据模块面积和各模块间的连接关系，对每个模块进行布图。然后进行布线，完成模块间的连接，。布线时发现布图不合适处，需要从新布图。由于布线比较复杂，常把布线分总体布线和详细布线两步来完成。总体布线把线网合理地分配在合适的布线区，尽量避免局部拥挤，然后再进行详细布线，确定各部分的连接线网。详细布线时也会发现总体布线不合适处，需要从新改变总体布线。因此，整个布局与布线是一个反复迭代求解的过程。布图完成后还有一个力求减小集成电路芯片面积，对布图进行压缩，或叫做优
5、化处理的要求。优化布图的结果，不仅能减小集成电路芯片面积，还会达到便于制版，增加产品的成品率，提高产品性能的目的。布线的电阻和线间电容会增大产品工作中的时间延迟，尽可能地缩短网线，减少布线的电阻和线间电容，就会减小延迟，提高产品的电性能。布图设计完成后，还要进行版图验证，检查版图是否符合“设计规则”和“电学规则”，并提取版图参数，通过仿真（模拟），测试等检查集成电路的工作性能，最后形成版图设计文件。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -显然，由于设计方式的不同，布图和布线的方法也不会相同，目前还没有非常完善的方法，实际上都是自动方法与人工调整方法相结合的交互方
6、法。确定自动方法时，和一般常规一样，先确定工作条件和目标值及约束条件，这与第 6 章优化中的定义相同。例如：1.布线的总长度最短；2.布线的均匀与拥挤程度布线密度最小；3.布线在水平和垂直方向的切割线数最少4.布线导致的生产成本较低等。不同约束条件导致自动计算方法的不同。布图与布线的算法涉及图论、计算几何、运筹学中的线性规划、动态规划、非线性规划等多种学科，而且随着研究的不断深入和发展，现在已经改变了传统布图算法中以连线总长或集成电路芯片面积为优化目标的做法，而代之以性能优化或满足延迟时间等约束条件为目标。我们不能在这里全面地介绍，只能对其典型方法的基本思路作些概念性的介绍，使读者易于理解有关
7、软件的基本道理。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -图 8 3 布图的联结线分割法2 布图的方法布图有多种方法（算法），一般都考虑各单元间的连线数量，把与其他单元连接线网最多的单元布置在版图的中心位置，把互相连线多的单元布置在互相靠近的地方。按照这种思路，有多种分割单元和估计其互相连接线网连接度的方法。这名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -里介绍一种基于联结度的分割法，其思路如图8 3 所示。.图中有四个单元，初步布局后其联结关系如图（a）所示，用水平分割先将单元分割为上下两部分，计算其联结线与分割线相交的次数为4，如图（
8、b）所示。为了减少交点数，将单元 B、C互相换位，如图（c）所示，减少了交点数，再用垂直分割线将单元分割为 4 部分，计算其联结线和垂直分割线的交点数为4，再将单元 B、D互换，如图（d）所示，交点数减为 2，得到了联结线长度减小、通道布线比较简洁而不拥挤的方案。利用这种思路，在单元数很多时，需要进行多次不同位置的平行和垂直切割，反复计算交点数（联结度）寻找合理的单元布局。3 布线的方法布线是在单元布局的基础上，确定各单元间的连线。单元间的连接线网时，按照电路图（或纪录电路联结情况的网络表）进行。如何按照电路图确定接线的具体路径呢？目前也有很多算法。这里介绍两种布线算法的思路。1.迷宫法迷宫法
9、是先把布线区域按布线宽度和线间最小容许距离划分成许多方格，确定接线路径时，先从一个接点（通称原点）开始，沿方格一格格前进到达另一个接点（通称漏点或目标点）。显然，在布线区上会有一些不能布线的区域，接线的路径必须绕过这些区域。迷路法就是以源点为中心作同心圆的扩大，如同水波的扩展，再在同心圆扩展的区域里确定最短的接线路径。图 8 4 说明了迷宫法的具体做法。图中，灰暗的方格是不能布线的区域，源点是S，漏点是 T。从源点 S开始将与之相邻的方格标为2 号，与 2 号相邻的方格标为 3 号，如此顺序标下去直到与漏点相遇为止。当然，不能布线的区域不要编号，编号的结果如图所示。然后在按使接线路径最短、拐弯
10、最少的原则，从漏点开始，按编号减少方向回溯，即可确定一条布线路径，例如，在漏点 T 可以有或左或下两个延伸方向，但向左后立即要向下拐弯，不可取，因此取向下延伸，如是延伸，结果如图中的黑框方格所示。在这个思路的基础上，还可以改进，例如为了加快寻找路径的速度可以从源点和漏点同时向外延伸等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -2 通道布线法通道布线法如图 5 所示，先把各单元上的连线标明统一的数字，然后用垂直线（支线）和水平线（干线）把各点连接起来，如图8-5a 所示，并查找出支线处于同一条垂直线上的网线（例如图8-5a 中的 4 与 3。再根据一个线网的支线不能
11、和另一线网的支线相重叠（垂直约束规则），同一通道内的干线不能和的另一线网的干线相重叠（水平约束规则）等规则调整布线，把违反垂直约束规则的两条网线放到不同通道内，把能放在同一通道内不会重叠的干线放到同一通道内，这样就得出图 8-5b 所示的结果。按照这两条原则布线还会遇到一些矛盾，还有人提出改进的方法，这里不再全面介绍。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -现在，在布局与布线自动化方面，已经有多种 CAD工具，他们在一般绘图软件的基础上，综合利用上面介绍到的和没有介绍的各种算法与思路，使布局与布线自动化程度在整个集成电路设计过程中利用率最高，效果最为显著。在 OrCAD 软件中，涉及这方面的内容是OrCAD Layout Plus，软件中的预拉线就是根据电路图的网表画出来的，而在自动布置元件和自动布线的命令发出后，软件就会根据各种算法编写的程序自动完成元件的布局和布线。自动布局与布线有时不能达到设计者的要求，所以软件也准备了人工修改的程序。使设计在自动与人工调整共同的作用下获得较为理想的结果。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -