MCS51单片机反向解剖以及正向设计的研究 第7页
第三章MCS一51单片机的反向解剖
3.1反向解剖概述
1.反向解剖的定义
芯片设计分为正向设计与逆向设计两大类:正向设计通常用来实现一项新的
设计;而逆向设计是在剖析别人设计的基础上进行某种修改或者改进。传统版图
级反向解剖的含义是指对芯片进行腐蚀、拍照、恢复原来的版图，然后利用恢复
得到的版图再次投片，仿制出原来芯片的功能。至于被恢复的芯片功能是否正确、
电路是否需要优化、功能是否可以改进等工作就无法实现。随着反向解剖经验的
不断积累，反向解剖IC设计公司在反向解剖获取的版图基础上提取逻辑图，经
过对逻辑图功能的分析、理解，进一步改造电路，完善芯片的功能。
反向解剖不仅是为了仿制芯片、借鉴经验，还具有很多其它的目的:
①通过对逻辑图的逻辑功能、时序功能的分析，可以获取待设计芯片的版图
级基准时序，提升出逻辑功能和时序功能的设计思想;
②对于不知如何设计的功能部件，可以参考逻辑图获取设计思想;
③对于逻辑功能、时序功能存在可以优化设计的地方，参考逻辑图获取优化
设计的思想;
④通过逻辑图的功能分析，加强门级电路与高层描述语言的相互映射关系，
加强对“综合”概念的理解，高效、快速地积累正向设计经验;
⑤通过逻辑图的时序仿真实践，积累真实的工业仿真经验。
2.反向解剖的步骤
版图级反向解剖一般要经过以下几个步骤:
①解剖芯片:对原芯片解剖、腐蚀、拍照，得到版图的照片;
②绘制版图:将所拍照片粘贴，并利用全定制版图编辑工具L一Edit绘制版
图;
③提取逻辑图:从版图照片中提取逻辑图，并输入到电脑中，所用软件多为
Cadence公司的icfb，一般第②、③步分两个小组同时进行工作，尽量分为相
等的人均工作量，以便同时完成;
④LVS验证:将从输入逻辑图提取的网表文件与由版图生成的CIF格式文
件比较，进行LVS验证，并且根据报告(report)文件修改错误，直到逻辑图与版
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图完全一致。
⑤逻辑仿真:对逻辑图进行功能仿真，验证是否完全完成芯片的原有功能以
及新增加功能，并且找出隐含错误，修改对应版图;
⑥投片、测试:芯片完全得到验证后，由所绘制的版图生成GDSll文件送
到厂家流片、晶圆测试，然后器件封装、测试，最终成功的实现芯片【15]。
3.2MCS一51的基本器件模型
3.2.1CMOS集成电路的特点
CMOS集成电路是指在同一块半导体芯片上制作PMOS和NMOS两种晶
体管，由于在同一芯片上采用两种互补型号的MOSFET，所以称为互补金属氧
化物场效应晶体管，即CMOS(ComplementaryMetaloXideSemi-
eonduetor)。
CMOS是一种电压控制器件，在其导电过程中PMOS的载流子为带正电的
空穴，而NMOS的载流子为带负电的电子。对于NMOS管来说，当VGS(栅源
电压)小于VTN时(阂值电压VTN>0)，无法形成导电沟道，漏源之间只有很小的
反向PN结电流;当VGs大于等于从时形成反型导电沟道，并且，随着漏源电
压VDs的变化，N型沟道的厚度、能带以及费米能级沿垂直方向倾斜并发生变化。
当VDs=VGs一从时，沟道在漏极附近被夹断。当VDS进一步增大，夹断点向源区
方向略微移动。对于PMOS管来说，与NMOS相反，其阑值电压为负值(叭P<0)。
只有当VGs小于等于叭时，才形成空穴导电层，此时，P沟源端的载流子密度
大于漏端的载流子密度，载流子空穴由密度大的源端流向密度小的漏端【191。在
硅材料中，由于电子的迁移率是空穴的2一3倍，所以相同宽度W、长度L的
NMOS管比PMOS管速度更快。设计CMOS静态逻辑电路时，将PMOS管的
wIL均扩大2倍，获得相同的上升时间和下降时间，以便实现全对称设计。
3.2.2门电路
1.非门
非门，是数字电路中最基本的单元，其输入和输出反相。CMOS非门由一
个增强型P沟道MOS管和一个增强型N沟道MOS组成，P管通常为负载管而
N管为输入管。图3一1给出了CMOS非门的线路图和逻辑符号。图中Pl、Nl
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的栅极并联做为信号输入端，漏极连接起来做为信号的输出端，P管、N管的源
极则分别接电源和地。当输入为低电平时，N管的栅源电压VGsN=O，小于NMOS
管的阑值电压，相当于等效了一个很大的截止电阻，N管截止;同时，P管的栅
源电压VGsP‘一vDD，大于}VTP{，相当于等效一个较小的导通电阻，所以P管
导通，输出电压近似等于电源电压;同理，当输入为高电平时，N管的vGsN=VDD
而P管VGsP二0，此时P管截止、N管导通，输出电压近似等于地。由以上分析
可知:CMOS倒相器的逻辑摆幅大(VDD一0)，而且总是一管导通一管截止，因
此静态直流导通电流极小，几乎没有静态功耗【20]。
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图3一1cMoS非门的结构、逻辑符号
2.传输门
传输门是一种传输信号的可控开关电路，是MOS集成电路的基本逻辑单元
之一。CMOS传输门是由一对互补的MOS管并联而成，能够输入、输出互换
以实现双向传输。图3一2给出了CMOS传输门的结构和逻辑符号，其中P管和
N管的衬底分别接电源和地，
C=1，c=o时，传输门导通，
源和漏互相连接，栅极分别加控制电压C和C。当
传输信号;
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当C=0，C=l时，传输门截止。
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图3一2CMOS传输门的结构、逻辑符号
CMOS传输门用作开关时性能几乎接近理想开关，导通时电阻很小，只有
几百欧姆，而截止时电阻很大，大于107欧姆【21]。利用cMos传输门可以构
成各种逻辑电路，而且结构较为简单。解剖的芯片中提取了包括基于CMOS传
输门构成的门电路、锁存器、触发器等功能电路。
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3.复杂逻辑门电路
数字电路一般可以分为两大类:一类是组合逻辑电路，另一类是时序逻辑电
路。组合逻辑电路包括“非”、“或”、“与”结构的门电路以及编码器、加法器、
译码器等。这类电路的特点是在任一时刻，电路的输出只和电路当前的输入信号
有关，也就是说输出结果能够由布尔表达式直接得出，而不需要考虑组成单元短
暂的传输延迟。CMOS静态逻辑电路由于低噪声和低功耗等优点，广泛用来构
成各种复杂逻辑的门电路，应用于算术运算单元、控制器等绝大部分数字集成电
路芯片中!221。
CMOS静态逻辑门电路由两大部分构成，一部分是P管与VDD连接，形成
了上拉网络(PUN);另一部分是N管与GND连接，形成了下拉网络(PDN)。
图3一3给出一个利用组合逻辑关系实现的优输入复杂门电路，电路中PMOS管
Pl、PZ、P3、P4、PS、P6形成了上拉网络，对应的NMOS管Nl、NZ、N3、
N4、NS、N6形成了下拉网络。根据图3一3，写出该电路对应的逻辑表达式:
Y=(A+B1·BZ+c十D)·E·············……(1)
当A、Bl、BZ、
P4、PS、P6导通而
Y=1(高电平，Vno);
图3一3优输入复杂逻辑门电路
C、D、E输入均为低电平时，PMOS管Pl、PZ、P3、
NMOS管Nl、NZ、N3、
反之，当A、Bl、BZ、C、
N4
D、
NS、N6截止，此时输出
E输入均为高电平时，Pl、
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