數(shù)字電路自動化設(shè)計 PPT課件

1、1,數(shù)字電路自動化設(shè)計,2,Design Flow,LEDA VCS DC, ISE FM PT ICC, Astro PrimeRail DFT Compiler StarRC Virtuoso, Cadence,3,綜合的定義,邏輯綜合：決定設(shè)計電路邏輯門的相互連接。 邏輯綜合的目的：決定電路門級結(jié)構(gòu)、尋求時序和與面積的平衡、尋求功耗與時序的平衡、增強電路的測試性。 邏輯綜合的過程：首先，綜合工具分析HDL代碼，用一種模型(GTECH) ，對HDL進行映射，這個模型是與技術(shù)庫無關(guān)的；然后，在設(shè)計者的控制下，對這個模型進行邏輯優(yōu)化；最后一步，進行邏輯映射和門級優(yōu)化，將邏輯根據(jù)約束，映射為專門

2、的技術(shù)目標單元庫（target cell library）中的cell，形成了綜合后的網(wǎng)表。,4,ASIC design flow,Verified RTL,Design Constraints,IP and Library Models,Logic Synthesis optimization designer =“name”; technology=“0.25 micron” search_path=search_path+“.” “/usr/golden/library/std_cells” “/usr/golden /library/pads” target_library =std_

3、cells_lib.db link_library =“*”,std_cells_lib.db,pad_lib.db symbol_library =std_cells.sdb,pad_lib.sdb,7,ASIC design flow,Synthesis:利用約束完成設(shè)計的門及實現(xiàn)及掃描插入 Constrain scripts /* Create real clock if clock port is found */ if (find(port, clk) = clk) clk_name = clk create_clock -period clk_period clk /* Creat

4、e virtual clock if clock port is not found */ if (find(port, clk) = ) clk_name = vclk create_clock -period clk_period -name vclk ,8,ASIC design flow,Constrain scripts（續(xù)） /* Apply default drive strengths and typical loads for I/O ports */ set_load 1.5 all_outputs() set_driving_cell -cell IV all_input

5、s() /* If real clock, set infinite drive strength */ if (find(port, clk) = clk) set_drive 0 clk /* Apply default timing constraints for modules */ set_input_delay 1.2 all_inputs() -clock clk_name set_output_delay 1.5 all_outputs() -clock clk_name set_clock_skew -minus_uncertainty 0.45 clk_name /* Se

6、t operating conditions */ set_operating_conditions WCCOM /* Turn on Auto Wireload selection Library must support this feature */ auto_wire_load_selection = true,9,ASIC design flow,Compile and scan insert的scripts,采用bottom_up的編譯方法 set_fix_multiple_port_net buffer_constants all compile scan check_test

7、create_test_pattern sample 10 preview_scan insert_scan check_test 如果模塊內(nèi)的子模塊具有dont_touch 屬性需添加如下命令，因要插入掃描 remove_attribute find(-hierarchy design,”*”)dont_touch Write netlist remove_unconnected_ports find(-hierarchy cell,”*”) change_names hierarchy rules BORG set_dont_touch current_design write herar

8、chy output active_design+”.db” write format verilog hierarchy output active_design+”.sv”,10,ASIC design flow,Pre_layout 的 STA ：用DC的靜態(tài)時序分析引擎做block的STA,用PrimeTime做full_chip的STA。 Setup_time分析 Hold_time分析 其時序約束和提供給DC做邏輯綜合的約束相同。靜態(tài)時序分析同綜合一樣，是一個迭代的過程，和cell的位置及布線關(guān)系密切，通常都執(zhí)行多次，直到滿足需要。,11,ASIC design flow,SDF

9、generation,pre_layout的SDF文件，用于pre_layout timing仿真,同時還需提供時序約束文件（SDF格式）給layout tool做布局布線。script文件如下： active_design=tap_controller read active_design current_design active_design link Create_clock period 33 waveform 0 16.5 tck Set_dont_touch_network tck trst set_clock_skew delay 2.0 minus_uncertainty 3

10、.0 tck set_driving_cell cell BUFF1X pin Z all_inputs() set_drive 0 tck trst set_input_delay 20.0 clock tck max all_inputs() set_output_delay 10.0 clock tck max all_outputs() write_timing format sdf-v2.1 -output active_design+”.sdf” write_constraints format sdf cover_design -output constraints.sdf,12

11、,ASIC design flow,Verification 利用SDF文件進行動態(tài)時序仿真:利用功能仿真時。用verilog 編寫的test_bench 文件 形式驗證:利用數(shù)學算法檢查設(shè)計的邏輯的等效性，靜態(tài)驗證，需要的時間比動態(tài)仿真少，驗證全面。在這里驗證RTL描述與gate_level網(wǎng)表的邏輯等效性。 Floorolanning and global Routing； Estimated 寄生電容和RC delay的抽取； 利用抽取的參數(shù)靜態(tài)時序分析，若時序不滿足要求，生成custom wire_load 做incremental synthesis即post_layout的優(yōu)化,采

12、用reoptimize_design in_place命令，其script文件需反標抽取的參數(shù)到設(shè)計； Detail routing； real寄生電容和RC delay的抽取； 利用抽取的參數(shù)靜態(tài)時序分析，修正hold_time如需要做post_layout的優(yōu)化； 生成post_layout的SDF文件,做gate_level仿真驗證；,13,ASIC design flow,ECO Engineering change order,不屬于正常的ASIC流程,一般只有在ASIC設(shè)計的后期，需要改變網(wǎng)表，可利用ECO,例如,在tape-out(sign-off)以后，遇見設(shè)計的硬件bug。采

13、用ECO可僅對設(shè)計的一小部分重新布線不影響chip其他部分的位置及時序，通常，修改不能大于10%。 最新版本的DC提供由ECO compiler, 可使設(shè)計者手工修改網(wǎng)表，節(jié)省時間。 一些layout工具也具有ECO功能。,14,DC介紹,Synopsys Design Compiler,是一個基于UNIX系統(tǒng)，通過命令行進行交互的綜合工具，除了綜合之外，它還含有一個靜態(tài)時序分析引擎及FPGA和LTL(links-to-layout)的解決方案。我們就以下幾個方面對DC做以介紹： script文件：由DC的命令構(gòu)成，可使DC自動完成綜合的整個過程。 DC支持的對象、變量、屬性 DC支持的文件格

14、式及類型 DC在HDL代碼中的編譯開關(guān)，控制綜合過程 Translate_off/translate_on:指示DC終止或開始verilog 源代碼轉(zhuǎn)換的位置。 full_case:阻止case語句在不完全條件下生成latch。,15,綜合環(huán)境建立,在綜合之前必須用setup文件配置綜合的環(huán)境，下面，我們就以下幾個方面對setup文件進行介紹： setup文件的位置 setup文件的內(nèi)容 setup文件舉例,16,綜合環(huán)境建立,setup文件的位置： 由一個setup文件提供，文件名必須為“.synopsys_dc.setup”,通過向相關(guān)環(huán)境變量賦值，定義技術(shù)庫的位置及綜合需要參數(shù)。 set

15、up文件的位置如下： Synopsys installation directory：它用于卸載Synopsys 技術(shù)獨立庫及別的參數(shù)，不包含設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)。 Users home director：用的setup信息。 Project working directory：設(shè)計的setup信息 DC按以上順序依次讀取setup文件，最后一個讀取的setup文件將覆蓋前面讀取的setup文件。 將設(shè)計相關(guān)的startup文件放于Project working directory下。,17,綜合環(huán)境建立,Startup文件必須定義如下變量： Search_path:指明庫文件的位置 Target_

16、library:既技術(shù)庫，由生產(chǎn)廠家提供，該庫中的cells,被 DC用于邏輯映射。 Target library的文件名應(yīng)包含在Link library的文件清單中，用于DC讀取門級網(wǎng)表。 Link_ library:該庫中的cells,DC無法進行映射，例如：RAM,ROM及Pad，在RTL設(shè)計中，這些cells以實例化的方式引用。 Symbol_library:該庫文件包含技術(shù)庫中cells的圖形表示，用于DA生成門級示意圖。 Target_library和Link _library為設(shè)計者提供了將門級網(wǎng)表從一種技術(shù)在映射 到另一種技術(shù)的方法，將舊的Target library文件名包含

17、在Link_library的文件清單中，而Target_library包含新的Target library文件名，利用translate命令實現(xiàn)。,18,綜合環(huán)境建立,設(shè)計相關(guān)的startup 文件的例子： .synopsys_dc.setup 文件 company =“zte corporation”; designer =“name”; technology=“0.25 micron” search_path=search_path+“.” “/usr/golden/library/std_cells” “/usr/golden /library/pads” target_library

18、=std_cells_lib.db link_library =“*”,std_cells_lib.db,pad_lib.db symbol_library =std_cells.sdb,pad_lib.sdb 其它的環(huán)境變量的設(shè)置參看DC的操作手冊。,19,邏輯綜合的過程,DC通過Script文件，自動完成模塊的綜合過程，其內(nèi)容如下： RTL design entry Environment constraints Design and clock constraints Compile design into mapped gates Optimizing design analyze t

19、he synthesis results and debug potential problems. Save design netlist Report constraints (Optional) Apply critical path constraints (Optional) Second compile to improve critical paths (Optional) Second path compile constraint report,20,Environment constraints,功能：定義設(shè)計的工藝參數(shù)，I/O端口屬性，統(tǒng)計wire-load模型。下圖解釋

20、了描述設(shè)計環(huán)境約束的DC命令：,Top level,21,Environment constraints,Set_operating_conditions 用于描述操作條件：process,voltage,temperature, cell和wire 的delay和操作條件呈線性關(guān)系。如： Set_operating_conditions WORST（或TYPICAL、BEST) 命令set_operating_conditions min BEST max WORST 用于指示DC對設(shè)計的WORST和BEST條件，同時優(yōu)化。,22,Environment constraints,Set_wi

21、re_load -mode 向DC提供wire_load信息，通常技術(shù)庫里包含許多負載模型，每一種wire-load模型都代表一定模塊的尺寸，模擬模塊內(nèi)部nets的delay，用戶也可以創(chuàng)建自己的wire_load模型去模擬各設(shè)計模塊的net loading。這有三種wire-load mode：top,enclosed,segmented,用于模擬各設(shè)計層次的net wire_load的關(guān)系。 Top:所有層次子模塊的wire_load和top-level相同，如果用戶計劃flatten設(shè)計去layout可選擇此模式編譯子模塊； Enclosed：子模塊net的wire_load和enclo

22、sed 它的最小模塊相同，推薦用于在layout后logical and physical hierarchy相似的設(shè)計； Segmented：子模塊之間net的wire_load和enclosed該net的模塊相同,需技術(shù)庫提供Segmented wire_load,一般不常用； wire_load模型的選擇很重要，太悲觀或太樂觀的模型都將產(chǎn)生綜合的迭帶，在 pre-layout的綜合中應(yīng)選用悲觀的模型。命令格式如下： dc_shellset_wire_load MEDIUM mode top,23,Environment constraints,24,Environment constra

23、ints,Set_load 定義nets或ports的電容負載，為了保證輸出路徑的時序，例如：,25,Environment constraints,Set_drive :主要用于模塊的input port,0表是最大的驅(qū)動強度通常用于clock port，例如：set_drive 0 CLK RST。 set_driving_cell -cell -pin :模擬input port驅(qū)動cell的驅(qū)動阻抗，為了保證輸出路徑的時序，確定輸入信號的transition time例如：,26,Environment constraints,Set_min_library -min_version

24、允許用戶同時設(shè)置worst-case和best-case libraries,從而在初步編譯時，DC修正hold-time沖突時，驗證setup-time沖突。也可用于在編譯時修正hold-time沖突。 DRC的設(shè)計規(guī)則約束：set_max_transition set_max_capacitance set_max_fanout 這些約束用于的input ports，output ports或current_design,一般在技術(shù)庫內(nèi)部設(shè)置.當技術(shù)庫的內(nèi)部設(shè)置不能滿足時，可用以上命令設(shè)置。例如; set_max_transition 0.3 current_design set_max_

25、capacitance 1.5 find(port,”out1”) set_max_fanout 3.0 all_outputs(),27,design and clock constraints,功能：描述設(shè)計的目標，包括時序和面積約束，要注意約束必須是可實現(xiàn)的，否則會導(dǎo)致面積超額，功耗增加或時序不能滿足要求。設(shè)計約束的DC命令如下：,set_output_delay on output,28,design and clock constraints,主要包括兩點 約束綜合模塊的最大面積（ set_max_area ） 約束綜合模塊timing path(Create_clock, Set_

26、input_delay, Set_output_delay),29,design and clock constraints,時鐘描述 時鐘的描述在設(shè)計中很關(guān)鍵，傳統(tǒng)上，在clock source 加很大的buffer去驅(qū)動整個時鐘網(wǎng)絡(luò)，布線時，使時鐘網(wǎng)絡(luò)成魚骨狀，用于減少時鐘網(wǎng)絡(luò)延時和clock_skew。對于VDSM，傳統(tǒng)的方法已不適用，而是由layout工具根據(jù)cell的位置綜合時鐘樹，以滿足我們對時鐘的需求。下面，我們介紹一下描述時鐘的DC命令。 時鐘DC命令介紹 Create_clock:用于定義時鐘的周期和波形（duty及起始沿）； 例如：create_clock period 4

27、0 waveform0 20 CLK周期40ns 上升沿0 ns,下降沿20 ns; 對于僅包含組合邏輯的模塊，為了定義該模塊的延時約束，需創(chuàng)造一個虛擬時鐘定義相對于虛擬時鐘的輸入輸出延時。例如： create_clock -name vTEMP_CLK -period 20 Set_clock_transition:在pre_layout必須設(shè)置一個固定的transition值(由技術(shù)庫提供），因為時鐘網(wǎng)有很大的fanout.這樣可使DC根據(jù)該時鐘計算實際的延時值。,30,design and clock constraints,Set_clock_skew：設(shè)置時鐘的skew及delay，

28、pre_layout 和post_layout命令選項不一樣。-propagated選項讓DC計算時鐘的skew。,31,design and clock constraints,例如：Set_clock_skew uncertainty 0.5 CLK,32,design and clock constraints,Pre-layout時鐘DC 命令介紹: 估計時鐘樹的延時和抖動，DC命令如下: create_clock period 40 waveform 0 20 CLK Set_clock_skew delay 2.5 uncertainty 0.5 CLK Set_clock_tra

29、nsition 0.2 CLK set_dont_touch_network CLK set_drive 0 CLK 考慮到layout后時鐘網(wǎng)絡(luò)的變化可若下設(shè)置時鐘skew： set_clock_skew delay 2.5 minus_uncertainty 2.0 plus_uncertainty 0.2 CLK minus_uncertainty用于setup-time的計算， plus_uncertainty 用于hole-time的計算. 一個cell的delay使根據(jù)input signal的斜率和output pin的電容負載決定，對于時鐘信號，因為clock network的

30、fanout 很大，從而造成clock network 末端門的時鐘信號的clock transition time很慢，使DC計算的門延時失真。,33,design and clock constraints,post-layout時鐘DC命令介紹: 這個階段，用戶不需定義時鐘的延時和抖動，他們由時鐘樹決定。 clock transition time也不需定義。如果layout 工具提供與DC的直接接口，則直接將包含有時鐘樹的網(wǎng)表回饋給DC,不需在script文件中對時鐘的延時和抖動進行描述，如果layout 工具不能實現(xiàn)此功能，則需用戶從layout 工具提取時鐘的延時和抖動信息，描述命

31、令同pre_layout.如果含有時鐘樹的網(wǎng)表能夠移植到DC，則clock的命令描述如下： create_clock period 40 waveform 0 20 CLK set_clock_skew propagated minus_uncertainty 2.0 plus_uncertainty 0.2 CLK set_dont_touch_network CLK set_drive 0 CLK 另外，很小的clock uncertainty定義的目的是考慮process的變化。 如果無法得到包含有時鐘樹的網(wǎng)表,只有SDF文件，則對原網(wǎng)表只需定義時鐘，并將SDF 文件回饋給原網(wǎng)表，時鐘的

32、延時和抖動由SDF文件決定。,34,design and clock constraints,生成時鐘DC命令介紹: 對于內(nèi)部產(chǎn)生時鐘的模塊，如內(nèi)部含有分頻邏輯，DC不能模擬時鐘產(chǎn)生模塊創(chuàng)造一個時鐘對象。如下圖：DC創(chuàng)造時鐘命令應(yīng)用于頂層輸入CLK，因clkB 繼承自CLK，所以Block B的時鐘來自CLK，對clkA,因CLK被clk_div 內(nèi)部的寄存器隔離，不能傳遞給clkA，所以clkA 這個時鐘對象應(yīng)在clk _div的output port定義，命令如下： dc_shellcreate_clock period 40 waveform 0 20 CLK dc_shellcreat

33、e_clock period 80 waveform 0 40 find(port,”clk_div/clkA”),Clk_div,clkB,Block A,Block B,CLK,clkA,35,design and clock constraints,輸入路徑DC命令介紹: Set_input_delay:定義信號相對于時鐘的到達時間。指一個信號，在時鐘沿之后多少時間到達。 例如：set_input_delay max 23.0 clock CLK dataout set_input_delay min 0.0 clock CLK dataout ,36,design and clock

34、constraints,輸出路徑DC命令介紹: Set_output_delay:定義從輸出端口數(shù)據(jù)不可用開始距后一個時鐘沿的時間：既時鐘周期間去cell從上一個時鐘沿開始的工作時間。 如：set_output_delay max 19.0 clock CLK dataout 用該命令對一些信號進行over-constrain,從而獲得最大 setup-time.但可能導(dǎo)致面積和功耗的增加。一個負值（如：-0.5）可在layout后，被 in-place optimization用于為hold_time修正提供timing margin.,37,design and clock constra

35、ints,其它設(shè)計DC命令介紹: Set_dont_touch_network,常用于port或net阻止DC隔離該net，和該net向連的門具有dont_touch屬性。常用于CLK和RST 例如：Set_dont_touch_networkCLK,RST 。 當一個模塊例用原始的時鐘作為輸入，在該模塊內(nèi)部利用分頻邏輯產(chǎn)生了二級時鐘，則應(yīng)對二級時鐘output port上設(shè)置set_dont_touch_network. 當一個電路包含門時鐘邏輯時，若在時鐘的輸入設(shè)置set_dont_touch_network，則阻止DC 隔離該門邏輯，導(dǎo)致DRC發(fā)現(xiàn)時鐘信號沖突，對門RESET同樣。 Se

36、t_dont_touch，應(yīng)用于current_design,cell,net,references.阻止DC對模塊中的這些元素進行技術(shù)映射。 例如： Set_dont_touch find(cell,”sub1”) Set_dont_use:用于.setup文件用此命令可將技術(shù)庫中的某些cell濾出，禁止DC映射； 例如： Set_dont_use mylib/SD*,將技術(shù)庫中名字以SD起頭的flip-flops.,38,Advanced constraints,Path:每一條路徑都由startpoint 和endpoint statrpoint:input ports 或時序cell的

37、clock pins; endpoint: output ports或時序cell的data pins; Path_delay,39,Advanced constraints,Set_false_path： 指示DC不要對指定的路徑按照時序約束優(yōu)化，如：異步路徑或約束不可實現(xiàn)的路徑。false path路徑的鑒別在設(shè)計中很關(guān)鍵，如果不對false path路徑進行標識，DC會對所有的路徑進行優(yōu)化，從而影響關(guān)鍵時序路徑。此命令用于當因為有false path關(guān)鍵邏輯時序靜態(tài)分析失敗時。 例1,在clock 域之間的false path： set_false_path -from get_cloc

38、k CLKA -to get_clock CLKB,40,Advanced constraints,例2,logic的false path： dc_shellset_false_path through mux1/A through mux2/A dc_shell set_false_path through mux1/B through mux2/B,41,Advanced constraints,例3,對含有tristates 的path,DC總是認為tristates 時能，會產(chǎn)生false path，如下圖，讀寫不可能在同一個周期：,42,Advanced constraints,例3

39、,我們推薦將tristates 最好移致頂層，在子模塊中就無false path ： set_false_path -through get_pins U1/DATA_BUS_OUT1 -through get_pins U1/DATA_BUS_IN1,43,Advanced constraints,Set_multicycle_path:因為DC假設(shè)所有的路徑都是單周期的，為了滿足時序，對多周期路徑會做不必要的優(yōu)化，從而影響相鄰路徑或面積。所以這個命令用于隔離多周期路徑，通知DC通過這條路徑所需的周期數(shù)。 例如： dc_shell set_multicycle_path 2 -from FF

40、A/CP -through Multiply/Out -to FFB/D,44,Advanced constraints,Group_path:將設(shè)計中的時序關(guān)鍵路徑綁在一起，可以使路徑組間具有優(yōu)先次序，命令格式：dc_shellgroup_path to out1 out2 name grp1； 但添加太多的組會增加編譯時間；且會增加最壞違例路徑延時。,45,Advanced constraints,Set_max_delay 對于僅包含組合邏輯的模塊，用此命令約束所有輸入到輸出的總延時。 例如： set_max_delay 5 from all_inputs() to all_output

41、s 對于含有多個時鐘的模塊，可用通常的方法定義一個時鐘，用此命令進行約束定義時鐘和其他時鐘的關(guān)系。 例如： set_max_delay 0 -from CK2 -to all_register(clock_pin) 該命令還是用于包含gated clocks or resets的設(shè)計。 Set_min_delay， 對于僅包含組合邏輯的模塊，定義指定路徑的最小延時 例如： Set_min_delay 3 from all_inputs() set_fix_hold一起使用，只是DC添加一定延時，滿足最小延時的定義。,46,SDF文件的產(chǎn)生,SDF文件的生成 SDF文件分為如下兩種： pre_l

42、ayout post_layout post_layout的SDF文件由DC在設(shè)計回注了RC延時值和lumped電容后產(chǎn)生。PT也 可產(chǎn)生SDF文 件。DC命令如下: write_timing format sdf-v2.1 output SDF用于做gate-level動態(tài)時序仿真。 SDF包含的時序信息組成如下： IOPATH delay：cell delay,根據(jù)輸出的wire loading 和輸入信號的transition計算 INTERCONNECT delay：是一條路的driving cell的output pin和driven cell的input pin RC delay。

43、 SETUP timing check：根據(jù)技術(shù)庫的描述，確定時序cell的setup-time HOLD timing check：根據(jù)技術(shù)庫的描述，確定時序cell的hold-time,47,SDF文件的產(chǎn)生,生成pre_layout的SDF文件 pre_layout的延時根據(jù)通用wire-load計算,因為沒有時鐘樹的插入，所以首先需對時鐘樹延時進行估計，DC命令如下： create_clock period 30 waveform 0 15 CLK set_clock_skew delay 2.0 CLK set_clock_transition 0.2 CLK DC利用以上值做靜態(tài)時序分析，在生成SDF文件時，不會輸出。為了使 DC用設(shè)置的clock delay代替計算，DC可對時鐘的input pad (CLKPAD)作如下設(shè)置： set_annotated_delay 2.0 cell -from CLKPAD/A to CLKPAD/Z 設(shè)置clock_transition不僅用于靜態(tài)時序分析，還用于計算driven cell的