Architecture Design

芯片架构设计技能

当用户需要进行芯片架构设计时，启用此技能。此技能提供芯片架构设计的完整指导，从需求定义到模块划分，遵循工业界最佳实践。

When to Activate

• 新项目启动，需要定义整体芯片架构
• 项目新增功能模块，需要定义接口和交互
• 对现有架构进行重构优化
• 需要评估不同架构方案的优缺点
• 需要进行架构权衡分析（面积vs性能vs功耗）

行业经验数值

架构设计经验值

PPA 权衡参考

IP 选型经验值

故障诊断框架

症状1：架构无法满足性能需求

诊断步骤：

1. 分析性能瓶颈
2. 检查总线带宽
3. 检查存储器延迟
4. 检查流水线深度

判断标准：

根本原因定位：

症状2：面积超出预算

诊断步骤：

1. 分析面积分布
2. 识别面积大户
3. 检查是否有优化空间
4. 检查是否有冗余功能

根本原因定位：

症状3：功耗超出预算

诊断步骤：

1. 分析功耗分布
2. 识别功耗大户
3. 检查时钟门控率
4. 检查电源域划分

根本原因定位：

步骤 1：需求收集和分析

在开始设计之前，必须收集并明确所有需求。

1.1 收集功能需求

做什么： 从产品经理/系统工程师获取完整功能需求列表。

怎么做：

1. 召开需求评审会议，邀请产品、系统、验证、后端代表
2. 逐条确认每个功能点的输入、输出、边界条件
3. 记录每个功能的优先级：P0（必须有）、P1（应该有）、P2（可以有）

输出： 功能需求列表表格

1.2 收集性能需求

做什么： 明确性能指标，这些直接影响架构决策。

怎么做：

1. 确认目标工作频率
2. 确认峰值吞吐量
3. 确认平均延迟和最坏延迟要求
4. 确认带宽瓶颈在哪里

输出： 性能需求表格

1.3 收集面积和功耗预算

做什么： 明确面积和功耗限制，这些是架构的硬约束。

怎么做：

1. 与后端确认工艺和面积预算
2. 与封装/热设计确认功耗预算
3. 分解总预算到各子系统

输出： PPA 预算分配表

1.4 收集接口需求

做什么： 明确所有片外接口和片上总线接口。

怎么做：

1. 列出所有片外接口（PCIe、DDR、USB、以太网等）
2. 列出片上总线接口（AXI、AHB、APB）
3. 确认每个接口的协议版本和参数

输出： 接口需求列表

1.5 收集安全和测试需求

做什么： 明确功能安全等级和 DFT 需求。

怎么做：

1. 确认功能安全等级（ASIL A/B/C/D）
2. 确认 DFT 覆盖率要求
3. 确认测试时间限制

输出： 安全和测试需求

1.6 IP 需求识别

做什么： 识别需要外购或复用的 IP 模块。

怎么做：

1. 列出所有功能模块
2. 标注哪些可以购买 IP
3. 标注哪些可以复用已有设计
4. 标注哪些需要自研

输出： IP 需求列表

1.7 需求评审和签字

做什么： 需求文档评审，所有相关方签字确认。

怎么做：

1. 发送需求文档给所有相关方评审
2. 召开需求评审会议
3. 记录所有问题和修改意见
4. 修改后重新评审
5. 所有相关方签字确认

检查清单：

• 所有功能需求都已明确
• 所有性能指标都已量化
• 面积功耗预算都已分配
• 所有接口协议都已确认
• 安全和测试需求都已明确
• 所有相关方都已签字确认

步骤 2：顶层接口定义

需求明确后，首先定义顶层接口。

2.1 定义片外接口

做什么： 确定芯片与外部世界的所有接口。

怎么做：

1. 根据需求列表，列出所有片外接口
2. 确定每个接口的物理参数（引脚数、电平、协议）
3. 确定电源和地引脚数量
4. 初步估计总引脚数

输出： 顶层接口列表

芯片顶层接口：
├── 电源接口
│   ├── VDD (数字核心电源) × 20
│   ├── VDDIO (IO电源) × 10
│   ├── VSS (地) × 30
│   └── VDDA (模拟电源) × 5
├── 时钟接口
│   ├── CLK_REF (参考时钟输入)
│   └── CLK_OUT (时钟输出，可选)
├── 复位接口
│   └── RST_N (复位输入)
├── 功能接口
│   ├── PCIe (x4, 差分)
│   ├── DDR (64-bit + ECC)
│   ├── UART (调试)
│   └── JTAG (测试)
└── GPIO
    └── GPIO[15:0] (通用IO)

2.2 定义片上总线接口

做什么： 确定内部模块之间的通信协议。

怎么做：

1. 选择总线协议（AXI4/AXI4-Lite/AXI4-Stream/AHB/APB）
2. 确定数据宽度和地址宽度
3. 确定主从关系
4. 画出总线拓扑图

总线协议选择参考：

输出： 总线拓扑图

                    ┌─────────────┐
                    │   CPU       │
                    └──────┬──────┘
                           │ AXI4 主
                    ┌──────┴──────┐
                    │ AXI 互联    │
                    └──────┬──────┘
           ┌───────────────┼───────────────┐
           │               │               │
     ┌─────┴─────┐   ┌─────┴─────┐   ┌─────┴─────┐
     │ DDR 控制器 │   │ PCIe 控制器│   │ 外设桥    │
     │ (AXI 从)  │   │ (AXI 从)  │   │ (AXI 从)  │
     └───────────┘   └───────────┘   └─────┬─────┘
                                           │ APB
                                    ┌──────┴──────┐
                                    │ UART/SPI... │
                                    └─────────────┘

2.3 定义时钟和复位接口

做什么： 确定时钟源和复位策略。

怎么做：

1. 列出所有需要的时钟频率
2. 确定时钟源（外部晶振、内部PLL、外部输入）
3. 确定复位源（外部复位、上电复位、看门狗复位）
4. 确定复位策略（同步复位 vs 异步复位）

输出： 时钟复位规划表

2.4 定义电源接口

做什么： 确定电源域划分和电压。

怎么做：

1. 列出所有电源域
2. 确定每个电源域的电压
3. 确定哪些电源域可以关断
4. 确定电平转换器和隔离单元位置

输出： 电源域规划图

电源域规划：
├── VDD_ALWAYS (1.0V, 始终上电)
│   ├── CPU
│   ├── 中断控制器
│   └── 电源管理模块
├── VDD_CORE (1.0V, 可关断)
│   ├── DDR 控制器
│   ├── PCIe 控制器
│   └── 其他功能模块
└── VDD_IO (3.3V, 始终上电)
    └── 所有 IO

检查清单：

• 所有片外接口都已定义
• 片上总线协议已确定
• 时钟源和频率已确定
• 复位策略已确定
• 电源域划分已完成
• 接口总数已估计，封装可行性已确认

步骤 3：模块划分

顶层接口定义完成后，进行模块划分。

3.1 自上而下分层分解

做什么： 把系统分解成子系统，子系统分解成模块，模块分解成单元。

怎么做：

1. 从顶层开始，列出所有一级子系统
2. 每个子系统再分解成二级模块
3. 每个模块再分解成三级单元
4. 直到每个单元规模合理（< 50k 门）

分解原则：

输出： 模块层次树

SoC 顶层
├── CPU 子系统
│   ├── CPU 核心 (RISC-V)
│   ├── 指令缓存
│   ├── 数据缓存
│   └── 中断控制器
├── 存储子系统
│   ├── DDR 控制器
│   ├── SRAM 控制器
│   └── DMA 引擎
├── 外设子系统
│   ├── UART 控制器
│   ├── SPI 控制器
│   ├── I2C 控制器
│   └── GPIO 控制器
├── 高速接口子系统
│   ├── PCIe 控制器
│   │   ├── PCIe PHY
│   │   ├── PCIe MAC
│   │   └── NVMe 协议层
│   └── 以太网控制器
└── 系统控制子系统
    ├── 时钟管理
    ├── 复位管理
    ├── 电源管理
    └── JTAG TAP

3.2 定义每个模块的功能

做什么： 为每个模块编写功能描述。

怎么做：

1. 用一句话描述模块的核心功能
2. 列出模块的主要特性
3. 列出模块的输入和输出

输出： 模块功能描述模板

## 模块名称：DDR 控制器

### 功能描述
DDR 控制器负责管理 DDR4 存储器的读写访问，提供给 CPU 和 DMA 引擎统一的存储器访问接口。

### 主要特性
- 支持 DDR4-3200
- 支持 64-bit 数据宽度 + 8-bit ECC
- 支持突发长度 8
- 支持读写优先级可配置
- 支持低功耗模式

### 输入接口
| 接口名 | 类型 | 宽度 | 描述 |
|--------|------|------|------|
| clk | 时钟 | 1 | 控制器时钟 |
| rst_n | 复位 | 1 | 异步复位 |
| axi_aw* | AXI4 | - | AXI 写地址通道 |
| axi_w* | AXI4 | - | AXI 写数据通道 |
| axi_ar* | AXI4 | - | AXI 读地址通道 |

### 输出接口
| 接口名 | 类型 | 宽度 | 描述 |
|--------|------|------|------|
| axi_b* | AXI4 | - | AXI 写响应通道 |
| axi_r* | AXI4 | - | AXI 读数据通道 |
| ddr_* | DDR4 | - | DDR 物理接口 |

3.3 定义模块间接口

做什么： 定义模块之间的通信接口。

怎么做：

1. 确定模块间的数据流向
2. 选择合适的接口协议
3. 定义接口信号列表
4. 定义接口时序

接口设计原则：

✅ 好的接口设计：ready/valid 双向握手

// 发送方接口
output logic        o_valid,    // 数据有效
output logic [31:0] o_data,     // 数据
input  logic        i_ready,    // 接收方可以接收

// 接收方接口
input  logic        i_valid,    // 数据有效
input  logic [31:0] i_data,     // 数据
output logic        o_ready,    // 可以接收数据

❌ 不好的接口设计：

• 没有握手，发送方不管接收方状态
• 只有 valid 没有 ready，接收方无法反压
• 时序没有明确定义

3.4 定义模块面积预算

做什么： 把总面积预算分配到每个模块。

怎么做：

1. 根据功能复杂度估算每个模块面积
2. 查找类似模块的历史数据作为参考
3. 留出 10-15% 的余量

输出： 面积预算表

检查清单：

• 模块层次已定义，最多 3-4 层
• 每个模块功能描述已编写
• 模块间接口已定义
• 接口使用标准协议
• 面积预算已分配
• 没有循环依赖
• 每个模块 < 100k 门

步骤 3.5：IP 选型评估

对于需要外购的 IP，进行选型评估。

3.5.1 IP 供应商评估

做什么： 评估候选 IP 供应商。

评估维度：

供应商评估表：

3.5.2 IP 技术评估

做什么： 评估 IP 的技术指标。

评估内容：

技术评估表：

3.5.3 IP 集成评估

做什么： 评估 IP 集成的复杂度。

评估内容：

集成风险评估：

3.5.4 IP 选型决策

做什么： 根据评估结果选择 IP。

决策流程：

1. 排除不满足基本需求的 IP
2. 对剩余 IP 进行综合评分
3. 考虑风险因素
4. 选择综合评分最高的 IP
5. 记录决策理由

IP 选型决策记录：

## IP 选型决策记录

### 决策 ID: IP-001
### 决策内容: 选择供应商 A 的 DDR 控制器 IP

### 候选 IP:
- IP A: 供应商 A DDR4 控制器
- IP B: 供应商 B DDR4 控制器
- IP C: 供应商 C DDR4 控制器

### 评估结果:
| 维度 | IP A | IP B | IP C |
|------|------|------|------|
| 技术成熟度 | 9 | 8 | 7 |
| 性能 | 8 | 7 | 6 |
| 面积 | 8 | 6 | 8 |
| 功耗 | 9 | 7 | 8 |
| 授权费用 | 7 | 8 | 9 |
| 集成复杂度 | 8 | 8 | 7 |
| **总分** | **8.2** | **7.3** | **7.5** |

### 选择理由:
IP A 在技术成熟度和功耗方面最优，虽然授权费用略高，但整体风险最低。

### 决策人: XXX
### 决策日期: 2024-01-15

IP 选型检查清单：

• IP 功能满足需求
• IP 性能满足要求
• IP 面积在预算内
• IP 功耗在预算内
• IP 支持目标工艺
• IP 支持目标总线
• 授权费用在预算内
• 技术支持有保障
• 集成复杂度可接受
• 已记录选型决策

步骤 4：时钟域规划

模块划分完成后，进行时钟域规划。

4.1 确定时钟域数量

做什么： 确定需要多少个时钟域。

怎么做：

1. 列出所有需要的时钟频率
2. 相同频率的模块可以放在同一时钟域
3. 不同来源的时钟必须放在不同时钟域
4. 考虑时钟门控需求

时钟域划分原则：

4.2 定义时钟域关系

做什么： 确定时钟域之间的同步/异步关系。

怎么做：

1. 画出所有时钟域
2. 标注每个时钟域的频率
3. 标注时钟域之间的数据流向
4. 确定是同步还是异步

输出： 时钟域关系图

时钟域规划：

clk_sys (500MHz)          clk_ddr (400MHz)         clk_pcie (250MHz)
    │                          │                         │
    ▼                          ▼                         ▼
┌─────────┐               ┌─────────┐              ┌─────────┐
│ CPU     │───异步FIFO───│ DDR     │───异步FIFO──│ PCIe    │
│ 缓存    │               │ 控制器  │              │ 控制器  │
│ 外设    │               │         │              │         │
└─────────┘               └─────────┘              └─────────┘
    │                          │                         │
    └──────────────同步────────┴───────────异步─────────┘

4.3 定义跨时钟域处理方法

做什么： 为每个跨时钟域信号确定同步方法。

怎么做：

输出： 跨时钟域信号列表

4.4 定义时钟门控策略

做什么： 确定哪些模块需要时钟门控。

怎么做：

1. 列出所有模块
2. 标注哪些模块可以关闭时钟
3. 确定时钟门控条件
4. 估算功耗节省

输出： 时钟门控规划表

检查清单：

• 所有需要的时钟频率都已列出
• 时钟域数量合理（通常 < 10 个）
• 跨时钟域信号都已识别
• 跨时钟域同步方法已确定
• 时钟门控策略已规划
• 没有异步逻辑混入同步时钟域

步骤 5：复位域规划

时钟域规划完成后，进行复位域规划。

5.1 选择复位策略

做什么： 确定整个项目使用同步复位还是异步复位。

同步复位 vs 异步复位：

项目级规则：

⚠️ 整个项目保持一致！要么全同步复位，要么全异步复位，不要混合。

选择建议：

• 大多数模块有时钟 → 同步复位
• 有模块需要无时钟复位 → 异步复位 + 同步释放

5.2 划分复位域

做什么： 确定哪些模块需要独立复位。

怎么做：

1. 列出所有复位源
2. 确定哪些模块需要同时复位
3. 确定哪些模块可以独立复位
4. 安全相关模块通常有独立复位域

输出： 复位域规划图

复位域规划：

全局复位 (rst_n)
    │
    ├── 复位域 0: 核心逻辑
    │   ├── CPU
    │   ├── 缓存
    │   └── 总线互联
    │
    ├── 复位域 1: 外设
    │   ├── UART
    │   ├── SPI
    │   └── GPIO
    │
    └── 复位域 2: 高速接口（独立复位）
        ├── DDR 控制器
        └── PCIe 控制器

安全复位 (wdt_rst)
    │
    └── 复位域 3: 安全模块
        ├── 看门狗
        └── 错误监控

5.3 设计复位序列

做什么： 确定复位释放顺序。

怎么做：

1. 确定哪个复位域先释放
2. 确定各复位域之间的等待时间
3. 确保时钟稳定后再释放复位

复位序列示例：

上电序列：
1. 上电复位 (por_n) 有效
2. 等待电源稳定
3. 等待时钟稳定
4. 释放核心复位域
5. 等待 100us
6. 释放外设备位域
7. 等待 100us
8. 释放高速接口复位域
9. 开始正常工作

5.4 异步复位同步释放

如果使用异步复位，必须同步释放：

// 异步复位，同步释放电路
module reset_sync (
    input  wire i_clk,        // 时钟
    input  wire i_async_rst_n,// 异步复位输入
    output logic o_sync_rst_n // 同步后的复位输出
);
    (* async_reg = "true" *) logic r_rst1;
    (* async_reg = "true" *) logic r_rst2;

    always_ff @(posedge i_clk or negedge i_async_rst_n) begin
        if (!i_async_rst_n) begin
            r_rst1 <= 1'b0;
            r_rst2 <= 1'b0;
        end else begin
            r_rst1 <= 1'b1;
            r_rst2 <= r_rst1;
        end
    end

    assign o_sync_rst_n = r_rst2;
endmodule

检查清单：

• 复位策略已确定（同步/异步）
• 复位源已列出
• 复位域已划分
• 复位序列已定义
• 异步复位同步释放电路已设计（如果使用异步复位）
• 整个项目复位风格一致

步骤 6：存储器规划

6.1 计算存储器容量需求

做什么： 为每个模块估算存储器容量。

怎么做：

1. 列出每个模块需要的存储器
2. 计算数据宽度
3. 计算深度
4. 确定是否需要 ECC

存储器容量计算公式：

FIFO 深度 = 速率差 × 突发长度 × 安全系数(1.5~2)

缓存容量 = 带宽要求 × 延迟容忍时间

缓冲容量 = 最大突发长度 × 数据宽度

输出： 存储器需求表

6.2 选择存储器类型

做什么： 为每个存储器选择合适的类型。

存储器类型选择：

6.3 规划存储器位置

做什么： 确定存储器在芯片中的物理位置。

怎么做：

1. 存储器靠近使用它的模块
2. 大容量存储器考虑 IO 位置
3. 考虑布线拥塞

检查清单：

• 所有模块存储器需求已统计
• 存储器类型已选择
• 是否需要 ECC 已确定
• 总存储器面积已估算

步骤 7：电源规划

7.1 划分电源域

做什么： 确定哪些模块可以独立关断电源。

怎么做：

1. 列出所有模块
2. 标注哪些模块可以关断
3. 标注哪些模块必须始终上电
4. 安全相关模块通常始终上电

电源域划分原则：

7.2 设计电源网络

做什么： 规划电源分布网络。

怎么做：

1. 确定电源环宽度
2. 确定电源 strap 间距
3. 确保 IR 降满足要求

电源网络检查：

• IR 降 < 5% Vdd
• 电迁移满足要求
• 电源密度合理

7.3 插入电平转换器和隔离单元

做什么： 在不同电压域和可关断域之间插入特殊单元。

检查清单：

• 电源域已划分
• 电源网络已规划
• 电平转换器位置已确定
• 隔离单元位置已确定
• IR 降预估满足要求

步骤 8：DFT 规划

8.1 扫描链规划

做什么： 确定扫描链数量和长度。

怎么做：

1. 确定扫描链数量（通常 2-8 条）
2. 确定每条扫描链长度（尽量平衡）
3. 确定扫描输入/输出引脚

8.2 存储器 BIST 规划

做什么： 为每个存储器规划 BIST。

怎么做：

1. 列出所有存储器
2. 确定是否需要 BIST（所有可写存储器都需要）
3. 确定 BIST 控制器数量

8.3 JTAG 规划

做什么： 规划 JTAG TAP 控制器。

怎么做：

1. 确定 JTAG 引脚（TCK, TMS, TDI, TDO, TRST）
2. 确定指令寄存器长度
3. 确定支持的指令（EXTEST, SAMPLE, BYPASS 等）

检查清单：

• 扫描链规划已完成
• 存储器 BIST 规划已完成
• JTAG TAP 规划已完成
• DFT 覆盖率目标已确定（> 98%）

步骤 9：架构评估和决策

9.1 制定候选方案

做什么： 提出多个架构候选方案。

怎么做：

1. 根据需求提出 2-3 个候选方案
2. 每个方案有不同权衡
3. 记录每个方案的优缺点

9.2 评估候选方案

做什么： 对每个候选方案进行评估。

评估维度：

9.3 选择最终方案

做什么： 根据评估结果选择最终方案。

怎么做：

1. 对每个方案打分
2. 加权计算总分
3. 选择总分最高的方案
4. 记录选择理由

输出： 架构决策记录

## 架构决策记录

### 决策 ID: ARCH-001
### 决策内容: 选择方案 A 作为最终架构

### 候选方案:
- 方案 A: 集中式总线架构
- 方案 B: 分布式网状架构
- 方案 C: 混合架构

### 评估结果:
| 维度 | 方案A | 方案B | 方案C |
|------|-------|-------|-------|
| 可验证性 | 4 | 3 | 3 |
| 可实现性 | 5 | 3 | 4 |
| 可调试性 | 4 | 4 | 3 |
| 可扩展性 | 3 | 5 | 4 |
| 功耗 | 4 | 3 | 3 |
| 面积 | 5 | 3 | 4 |
| 时序 | 4 | 4 | 4 |
| **总分** | **4.2** | **3.5** | **3.6** |

### 选择理由:
方案 A 在可实现性和面积方面最优，虽然可扩展性略逊于方案 B，但满足当前需求且风险最低。

### 决策人: XXX
### 决策日期: 2024-01-15

步骤 10：输出架构文档

架构设计完成后，必须输出完整的架构文档。

10.1 架构设计文档

内容：

• 整体架构描述
• 设计决策和理由
• 模块列表和功能
• 接口描述
• 时钟复位规划
• 存储器规划
• 电源规划
• DFT 规划

10.2 模块接口规格

内容（每个模块）：

• 模块功能描述
• 输入信号列表
• 输出信号列表
• 时序要求
• 面积预算

10.3 存储器映射表

内容：

• 地址空间分配
• 每个寄存器地址
• 每个寄存器位定义

10.4 时钟复位规划图

内容：

• 时钟域列表
• 时钟域关系图
• 跨时钟域信号列表
• 复位域列表
• 复位序列

10.5 顶层框图

内容：

• 模块框图
• 模块间连接
• 外部接口

最终检查清单

架构设计交付前必须完成：

• 所有强制性需求都已满足
• 模块划分清晰，单一职责
• 每个模块功能描述已编写
• 所有接口定义清楚，协议明确
• 时钟域划分正确，跨时钟域处理明确
• 复位策略一致，复位域划分合理
• 存储器容量满足需求
• 电源规划满足低功耗需求
• DFT 规划满足覆盖率要求
• 面积时序功耗预算都满足
• 架构决策已记录
• 所有文档完整

反模式（要避免）

❌ 过度设计：现在就添加十年后才需要的功能 ❌ 设计不足：没有考虑未来扩展，一年后就要重构 ❌ 模糊接口：接口定义不清晰，集成时才发现问题 ❌ 忽略验证：架构不容易验证，后期验证找不到 bug ❌ 忽略后端：架构布局完全不考虑后端实现 ❌ 不记录决策：做了决策但不记录理由，后面忘记为什么这么做

代理协作

• 架构定义完成后，使用 rtl-designer 代理实现 RTL
• 使用 verification-engineer 代理开发验证平台
• 如果有功能安全需求，使用 functional-safety-engineer 代理进行安全分析