芯片设计中RTL级别总结

一、简介

芯片设计级别简介
行为级（Behavior Level）：通过行为级算法描述数字系统。
寄存器传输级（Register Transfer Level）RTL：在寄存器传输级，通过寄存器之间的数据传输进行电路功能设计，例如有限状态机。
门级（Gate level）：数字系统按门级（AND，OR，NOT，NAND等等…）描述。通常不会进行门级设计，门级网表网表一般是通过逻辑综合的输出。

二、详细介绍

RTL指不关注寄存器和组合逻辑的细节（如使用了多少逻辑门，逻辑门之间的连接拓扑结构等），通过描述寄存器到寄存器之间的逻辑功能描述电路的HDL层次。RTL级是比门级更高的抽象层次，使用RTL级语言描述硬件电路一般比门级描述简单高效得多。

RTL级语言的最重要的特性是：RTL级描述是可综合的描述层次。

2.1 RTL级的基本要素和设计步骤

典型的RTL设计包含一下3个部分：
时钟域描述：描述所使用的所有时钟，时钟之间的主从与派生关系，时钟域之间的转换；
时序逻辑描述（寄存器描述）：根据时钟沿的变换，描述寄存器之间的数据传输方式；
组合逻辑描述：描述电平敏感信号的逻辑组合方式与逻辑功能。

2.2 书中推荐的设计步骤

功能定义与模块划分：根据系统功能的定义和模块划分准则划分各个功能模块；

定义所有模块的接口：首先清晰定义每个模块的接口，完成每个模块的信号列表，这种思路与Modular Design（模块化设计方法）一致，利于模块重用、调试、修改；

设计时钟域：根据设计的时钟复杂程度定义时钟之间的派生关系，分析设计中有哪些时钟域，是否存在异步时钟域之间的数据交换；对于PLD器件设计，还需要确认全局时钟是否使用PLL/DLL完成时钟的分频、倍频、移相等功能，哪些时钟使用全局时钟资源布线，哪些时钟使用第二全局时钟资源布线；全局时钟的特点是：几乎没有Clock Skew（时钟倾斜），有一定的Clock Delay（时钟延迟），驱动能力最强；第二全局时钟的特点是：有较小的Clock Shew，较小的Clock Delay，时钟驱动能力较强；

补充：时钟抖动（Clock Jitter）：指芯片的某一个给定点上时钟周期发生暂时性变化，使得时钟周期在不同的周期上可能加长或缩短。时钟偏移（Clock Skew）：是由于布线长度及负载不同引起的，导致同一个时钟信号到达相邻两个时序单元的时间不一致。区别：Jitter是在时钟发生器内部产生的，和晶振或者PLL内部电路有关，布线对其没有影响。Skew是由不同布线长度导致的不同路径的时钟上升沿到来的延时不同。

考虑设计的关键路径：关键路径是指设计中时序要求最难以满足的路径，设计的时序要求主要体现在频率、建立时间、保持时间等时序指标上，；在设计初期，设计者可以根据系统的频率要求，粗略的分析出设计的时序难点（如最高频率路径、计数器的最低位、包含复杂组合逻辑的时序路径等），通过一些时序优化手段（如Pipeline、Retiming、逻辑复制等）从代码上缓解设计的时序压力，这种方法以但依靠综合与布线工具的自动优化有效的多；

顶层设计：RTL设计推荐使用自顶而下的设计方法，因为这种设计方法与模块规划的顺序一致，而且更有利于进行Modular Design，可以并行开展设计工作，提高模块复用率；

FSM设计：FSM是逻辑设计最重要的内容之一；

时序逻辑设计：首先根据时钟域规划好寄存器组，然后描述各个寄存器组之间的数据传输方式；

组合逻辑设计：一般来说，大段的组合逻辑最好与时序逻辑分开描述，这样更有利于时序约束和时序分析，使综合器和布局布线器达到更好的优化效果。