MCS51单片机反向解剖以及正向设计的研究 第2页
第一章绪论
1.1引言
从1948年晶体管的发明、1958年采用硅平面工艺集成电路的诞生到1971
年微处理器的出现，经过了半个多世纪的发展，微电子产业已经成为战略性的基
础产业，微电子科学技术也已经成为现代科学技术的关键基础。二战之后，美国
正是抓住了以微电子技术为基础的电子信息技术，经济才得到迅猛发展。日本和
亚洲一些国家和地区也都是抓住了这一点而使经济迅速振兴。当今，微电子工业
的产值占世界经济总产值的4%，成为了全世界第一大产业。预测表明:在今后
的25年里，微电子产业将占到世界总产值的8%【11。因此，微电子科学技术将
是21世纪上半叶科学技术竞争的焦点，微电子产业规模和技术水平成为了衡量
一个国家综合实力的主要标志。
四十年前，INTEL创始人之一GordonMoore曾预言:集成电路芯片的集
成度每18个月增加一倍，而对应于集成电路制作工艺的特征线宽则每三年左右
缩小30%!2}，这个规律被学术界和工业界称为摩尔定律(MOOre’5Law)。直
到现在，lC技术仍然按照这个规律迅速发展，并且不断细化，派生出三个相互
基本独立的部分:微电子工艺、微电子设计和微电子检测。微电子工艺继承了传
统微电子学的主体领域一光刻、腐蚀等加工工艺，奔腾一111的0.25/。.18“m线
宽技术代表了1999年的最高加工水平;微电子设计是产生于传统电子电路设计
与微电子学之间的一门边缘学科，目前的主要领域包括硬件描述语言HDL{31、
仿真和综合工具141!5]、FPGA仿真工具!61、ASIC设计和可复用模块库等，INTEL
的1000万门设计环境代表了1999年的最大设计能力;微电子检测则是现代检
测技术在硅晶片加工过程中的应用，KLA仪器公司的AIT一11(每小时在线检测
40片0.18砰m线宽图案的300mm晶圆)和Surasean一SPI(每小时在线检测
100片无图案30Omm晶圆)代表了1999年微电子检测技术的最高水平。
八十年代中期以来，微电子学这三个基本领域以很高的速度细分下去，出现
了第三层、第四层甚至第五层的子领域。进入九十年代后，集成电路电路更是以
高速度向前发展，以ASIC为例又划分为数字逻辑电路设计、模拟电路设计、混
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合电路设计和后端设计【7]等等。在不断地细分以及各子领域的相互交叉中，微
电子学已经成为一个庞大的多学科交叉体，微电子技术也己经渗透到科学技术、
工业生产、国防安全等各个领域。
集成电路的迅速发展改变了电子技术的面貌，对一系列科学技术以及人们的
生活都发生了强烈的影响。从小规模551、中规模Msl、大规模LSI到超大规
模vLsl、甚大规模集成电路uLsl，从单个芯片上集成几个、几十个晶体管到
儿百万个、几千万个晶体管，从1948年巴丁发明第一个晶体管到目前的深亚微
米理论、片上系统SOC。总之，在这个新世纪中，科学技术的巨大进步必将使
集成电路产业得到更大的发展。
1.2集成电路的发展趋势与现状
1.集成电路的发展趋势
集成电路技术发展的目标是不断提高集成电路系统的性能以及性能/价格
比，这就成为增加芯片的集成度、不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。现
在，以0.25pmCMOS工艺为主流的微电子技术已经进入大规模生产中。预计
到2010年，特征尺寸为0.07pm的64GDRAM将投入批量生产;到2030
年集成电路工业生产可能稳定在。.035砰m工艺【sl。
工艺技术的发展使得IC设计者可以在单个芯片上集成系统，SOC成为集成
电路产业未来发展的总趋势。在芯片设计中大量复用知识产权模块IP，可以使
IC设计者把精力集中在更高层次上的设计，加快芯片的开发速度。
2.我国集成电路产业的现状
集成电路产业具有规模大、增长快、投资多、关联强、回报高等显著特点，
是当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业。我国在这一领域与发达国家的
差距很大，从技术上来看，国际上例如1NTEL公司已进入了奔腾IV时代，而我
国最先进的水平仅停留在实验室内研制奔腾11阶段;从市场份额来看，国产芯
片年销售额为83亿元人民币!9]，仅占全球份额的百分之一左右。而且我国国内
集成电路需求的自给率也较低，只占整个产业的19%左右。
大量集成电路依赖进口造成了我国信息产业的档次难以大幅度提高，并且对
我国的信息安全也构成了一定的威胁。更重要的是如果国防电子产品过分依赖于
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国外，对国防安全将会造成负面影响。另外，即使是国内目前较高水平的芯片制
造公司，其技术、市场和管理的主导权也是由外国专家来控制的。因此必须要尽
快提高国内集成电路的设计开发能力和生产加工技术，将我国自己的集成电路作
为基础性、战略性产业大力进行发展。
3.发展我国集成电路产业的举措
基于我国集成电路的现状，国家实施了一系列、全局性举措【10]:
①科技部在“九五”国家重点科技公关项目、863计划中成立专项，加强对
微电子设计技术的研究;
②在上海、北京、西安等地成立“集成电路设计产业化基地”;
③教育部建立“IC设计网上合作研究中心”，积极推动高校间集成电路设计
教学、研发工作的开展
④国家发布了《国务院鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策》，制定
了扶持集成电路产业发展的优惠政策，加速IC产业的发展速度。
国家政策为集成电路产业的发展提供了良好的外部环境，多吸引、储备高层
次人才，消化吸收国外先进设计的精髓，提高设计人员的工业设计水平，丰富IC
设计者的工业经验，对改变我国集成电路产业与世界水平的差距有重要意义。
1.3集成电路的设计方法
集成电路设计指的是从硬件的一种描述形式到另一种描述形式的变换，设计
的最终目标是得到集成电路某种可制造的描述形式【111。一个数字系统主要分为
两大部分的设计，即系统的硬件设计和系统的软件设计。传统的硬件系统设计多
采用自下至上(BottomUp)的方法:首先根据系统对硬件的要求，合理划分功能
模块;然后进行各个子电路及系统设计、调试;最后当电路设计完成后，再根据
工艺线的具体工艺条件进行物理设计、制作掩模版以及制造芯片。采用自下至上
的设计方法，整个系统的功能验证要在所有的底层模块设计完成后进行。如果系
统功能不符合设计要求，就有可能要对底层模块和系统进行重新设计、仿真和验
证【12]。传统的硬件设计方法对系统进行设计、调试的过程中，所形成的硬件设
计文件主要是电原理图。随着大规模集成电路的开发和研制，计算机辅助设计技
术(CAD)的不断应用和发展，IC设计者可以借助于先进的电子设计自动化EDA
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开发工具，采用自上至下(T。pDown)、硬件描述语言(HDL)、结构化设计、设
计再利用等方法来实现集成电路的设计。
1.采用自上至下的设计方法
自上至下的设计方法就是从系统总体出发，先确定系统的技术要求;然后自
上至下将设计内容细化，选择和设计构造系统所需要的单元;最后完成系统硬件
的整体设计【13]。在整个设计过程中，不论是总体的行为设计，还是最终的逻辑
综合，每一步都要进行仿真测试。在版图设计完成后，还要进行版图验证，包括
设计规则检查(DRC)、版图的电路提取(NE)、电学规则检查(ERC)和寄生
参数提取(PE)等，以确保版图满足制造工艺要求和符合系统的设计规范。采
用自上至下的设计方法有利于在设计早期发现问题，这时发现的问题比较容易改
正而且花费较少。设计中的多次仿真测试可以保证设计的正确性，减少设计的反
复次数，从而缩短产品进入市场的时间(timetomarket)。
2.采用硬件描述语言的设计方法
随着大规模专用集成电路的开发和研制，为了提高开发效率，增加已有开发
成果的可继承性，各个大公司纷纷开发各自的硬件描述语言。目前最有代表性的
为美国国防部开发的VHDL语言(VHSICHardwareDeseriptionLan，age)
和Viewlogie公司开发的VerilogHDL语言，并且VHDL和VerilogHDL语
言分别成为IEEE标准IEEEStd一1076和IEEEStd2364一1995。
所谓硬件描述语言，就是可以描述硬件电路的功能，信号连接关系以及定时
关系的语言，能够有效地表示硬件电路的特性。利用HDL语言设计硬件系统一
般分成三个层次进行1131:
①行为描述，就是对整个系统的数学模型的描述。在此阶段，主要考虑系统
的结构及其工作过程是否能达到系统设计规格书的要求。
②寄存器传输级RTL方式描述，主要是将行为方式描述的硬件描述语言程
序改写为RTL方式描述的HDL语言程序，从而导出系统的逻辑表达式，进行
逻辑综合。
③逻辑综合，利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻
辑元件表示的文件，即门级网表文件。
在用HDL语言设计硬件系统的过程中，从总体行为设计到逻辑综合，从行
为级HDL源程序到最终形成网表，每一个层次中都要进行仿真检查。这样有利
于尽早发现系统设计中的问题，缩短设计周期。

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