描述与抽象层设计框架
描述与抽象层设计框架 是 Martens & Gielen《High-Level Modeling and Synthesis of Analog Integrated Systems》(2008) Ch.2 建立的形式化基础框架,系统定义了模拟/混合信号设计流程中的基本概念:描述层(Description Level)、抽象层(Abstraction Level)、四种基本操作(细化/简化/转换/变换)、以及通用设计流(Generic Design Flow)。
核心概念定义
描述层 (Description Level)
定义:描述层 是二元组, 为基本元素字母表, 为互连类型字母表。
系统在描述层 下表示为图 ,节点 ,边 。
五层描述层(Table 2.1)
| 描述层 | 基本元素 | 互连类型 | 积分器示例 |
|---|---|---|---|
| Physical | 不同层的矩形/多边形 | 矩形位置 | 版图多边形(Fig. 2.2a) |
| Circuit | 晶体管、R、C、L、二极管 | 保守节点(KCL) | 晶体管级电路图(Fig. 2.2b) |
| Macro | 受控源、R、C、L、op amp、开关 | 保守节点 | 含 op amp 的宏模型(Fig. 2.2c) |
| Behavioral | 输入/输出间数学关系 | 端口间保守通道 | DAE/传递函数(Fig. 2.2d) |
| Functional | 变量间数学方程 | 信息信号 | 信号流图(Fig. 2.2e) |
语言独立性:同一语言(如 VHDL-AMS)可用于表示不同描述层的系统。
抽象层 (Abstraction Level)
定义:抽象层 是描述中相比于系统主导行为忽略非理想效应或结构信息的程度。
- 增加抽象 = 简化(移除细节)
- 降低抽象 = 细化(增加物理效应)
- 相同描述层可对应不同抽象层(如行为模型含/不含非线性)
- 描述层在抽象梯上重叠(Fig. 2.3),允许跳过某些描述层
抽象-描述平面(Fig. 2.3)
该平面有两个维度:
- 横轴:描述层(Physical → Circuit → Macro → Behavioral → Functional)
- 纵轴:抽象层(低→高)
设计流程 = 从功能级高抽象(图 2.3 白色星)到物理级低抽象(白色星)的操作序列。
四种基本操作(Fig. 2.4)
1. 细化 (Refinement)
定义:同一描述层中降低抽象级。 提高细节量。
典型应用:
- 为行为模型添加额外极点(如从理想积分器到含非主极点的模型)
- 限制 op amp 增益(从无限到有限 )
- 划分子模块(引入结构信息)
约束问题:引入新的物理效应时需生成约束 (Constraints),保证不同抽象级间功能一致。
2. 简化 (Simplification)
定义:同一描述层中提高抽象级。 降低细节量。
典型应用:
- 假设 op amp 无限增益和无极点
- 小信号线性化系统
- 忽略寄生效应
条件问题:简化需条件 (Conditions) 验证有效性(如小信号模型需满足 )。
3. 转换 (Translation)
定义:不同描述层间映射,保持抽象级不变。
典型应用(Fig. 2.4 水平箭头):
- 传递函数 → op amp 电路(行为→宏)
- 版图提取:布局→网表(物理→电路)
- VHDL-AMS → SystemC(行为→行为,改变语言)
4. 变换 (Transformation)
定义:同一描述层同一抽象级,改变拓扑/架构。(Fig. 2.4 闭环箭头)
典型应用:
- 选择不同滤波器类型(Butterworth vs Chebyshev)
- 选择不同 op amp 结构(两阶段 vs Cascode)
- 从 ΔΣ 单环切换到 MASH
两步组成:(1) 选择新拓扑( 和 的新组合);(2) 定义新元件参数。
通用设计流 (Generic Design Flow)(Fig. 2.5)
迭代流程:
规格 + 容差
↓
性能计算 ←── 系统 S(描述层 D, 抽象级 A)
↓
性能评估
↓
├── 未达规格 ──→ 简化 → 变换 → 再评估
├── 规格达标但抽象不匹配 → 细化/简化 → 再评估
└── 规格达标且细节充足 → 转换到下一描述层
框架特点:
- 大多数模拟 EDA 工具功能可嵌入该框架
- 变换环 → 设计探索
- 细化环 → 分析
- 简化环 → 模型缩减
三种简化设计流对比(Table 2.3)
| 属性 | 平面(Flat) | 自底向上(Bottom-up) | 自顶向下(Top-down) |
|---|---|---|---|
| 适用复杂度 | 限于基本单元 | 单元→小系统 | 单元→大系统 |
| 设计时间 | 与器件数快速增 | 经验设计师可管理 | 依赖约束变换方法 |
| 重用 | 很少 | 多单元时大量 | 合理约束时 |
| 洞察 | 所有低层效应 | 物理→非理想性 | 非理想性→功能 |
| 再设计 | 所有细节已存在 | 安全裕度小时 | 约束错误时仅下层 |
| 典型阶段 | 低抽象/电路 | 低→中层抽象 | 中→高层抽象 |
| 探索范围 | 仅参数 | 多架构单元 | 架构+参数 |
与其他概念的关系
- 通用行为建模方法 — GBM 位于行为描述层,是通用设计流中的建模组件
- 性能函数与性能模型 — 性能计算是设计流的核心评估环节
- 自顶向下异构综合优化 — 设计流中变换环的自顶向下实现
- 设计变换与架构探索 — 变换操作的具体实现方法
- 高层级模拟综合集成 — 设计流中高层级综合阶段的产物