ASIC設(shè)計(jì)約束與SDC命令介紹

在數(shù)字IC設(shè)計(jì)中，重要的ASIC設(shè)計(jì)約束分為兩類，主要是：

1.優(yōu)化約束

2.設(shè)計(jì)規(guī)則約束（DRC）

根據(jù)ASIC邏輯設(shè)計(jì)，優(yōu)化的約束是速度和面積。在物理設(shè)計(jì)中，我們需要對(duì)面積、速度和功率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)所需的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和策略進(jìn)行更好的功耗規(guī)劃，總是有助于獲得芯片的布局。

DRC是晶圓鑄造規(guī)則，主要是傳輸、扇出和容量。

約束可用于在邏輯和物理綜合的各個(gè)綜合階段優(yōu)化設(shè)計(jì)。

這些約束在設(shè)計(jì)的模塊、頂層和芯片級(jí)別。例如考慮如圖所示的處理器架構(gòu)，可以為各種功能塊指定塊級(jí)約束，這些功能塊包括ALU、浮點(diǎn)引擎、高速接口等。頂層約束將在綜合過(guò)程中使用，它們用于集成所有功能塊。

處理器頂層架構(gòu)

如果滿足模塊級(jí)約束，并不意味著設(shè)計(jì)將滿足頂層約束。在物理設(shè)計(jì)期間，需要滿足干凈布局的芯片級(jí)約束。

對(duì)于處理器的綜合，以下可能是較好的策略：

1. 為不同的時(shí)鐘組執(zhí)行綜合。
2. 使用自底向上的綜合并提取模塊級(jí)約束。
3. 在模塊級(jí)綜合過(guò)程中優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足面積和速度的要求。
4. 指定頂層約束。
5. 執(zhí)行頂層綜合并優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足頂層約束。
6. 如果不滿足約束條件，則使用策略來(lái)調(diào)整RTL架構(gòu)。

1. 重要設(shè)計(jì)概念

1.1 時(shí)鐘樹(shù)

時(shí)鐘樹(shù)綜合是在物理設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行的，而在邏輯設(shè)計(jì)流程中我們沒(méi)有時(shí)鐘分布的信息。也就是說(shuō)，我們將嘗試使用具有可用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的Synopsys DC設(shè)置來(lái)指定時(shí)鐘和時(shí)鐘延遲。

1.2復(fù)位樹(shù)

具有多個(gè)功能塊初始化復(fù)位的設(shè)計(jì)需要與主復(fù)位同步。如果復(fù)位是在時(shí)鐘的有效邊緣期間產(chǎn)生的，則復(fù)位樹(shù)可用于避免亞穩(wěn)態(tài)輸出。

要考慮的重要參數(shù)是：

1.復(fù)位恢復(fù)時(shí)間

2.復(fù)位移除時(shí)間

1.3 時(shí)鐘和復(fù)位策略

在邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中，以下策略可能會(huì)對(duì)復(fù)位和時(shí)鐘有所幫助。

1.對(duì)于多個(gè)時(shí)鐘域，在數(shù)據(jù)和控制路徑中使用同步器。

2.使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)引入時(shí)鐘延遲，并指定邏輯綜合過(guò)程中的設(shè)置和保持不確定性。

3.在邏輯設(shè)計(jì)期間手動(dòng)實(shí)例化時(shí)鐘。

4.使用復(fù)位同步器將復(fù)位與主復(fù)位同步。

1.4 影響設(shè)計(jì)性能的是什么？

ASIC設(shè)計(jì)應(yīng)滿足速度和面積的優(yōu)化約束。我們將在物理設(shè)計(jì)期間使用功率限制和DRC。以下是在綜合過(guò)程中需要解決的要點(diǎn)：

1. 模塊級(jí)約束 :對(duì)于復(fù)雜的ASIC設(shè)計(jì)，如果我們考慮多個(gè)功能塊或IP，那么應(yīng)該指定塊級(jí)約束。功能塊的塊級(jí)約束應(yīng)該滿足。例如，處理器邏輯工作在250MHz的工作頻率，但整個(gè)芯片工作在500MHz。在這種情況下，與頂層約束相比，設(shè)置和保持的總體不確定性是不同的。因此，應(yīng)該在塊級(jí)綜合期間使用塊級(jí)Tcl腳本。
2. 頂層約束 :在完成所有功能塊的綜合后，對(duì)于自底向上的綜合，進(jìn)行頂層集成。需要為特定的時(shí)鐘組指定頂層約束，主要在Tcl腳本中，應(yīng)該使用以下命令：

(a)時(shí)延信息

(b)輸入時(shí)延

(c)輸出時(shí)延

(d)setup不確定性

(e)hold不確定性

如果滿足模塊級(jí)約束，但不能保證滿足頂層約束。可能原因是這樣的:

1. 如果設(shè)計(jì)分區(qū)不在順序邊界上，則會(huì)產(chǎn)生額外的延遲。
2. 數(shù)據(jù)到達(dá)速度快，且設(shè)計(jì)中存在缺陷。
3. 數(shù)據(jù)到達(dá)緩慢，并且設(shè)計(jì)存在設(shè)置沖突。
4. 如果在綜合過(guò)程中，由于多循環(huán)和假路徑，會(huì)出現(xiàn)定時(shí)異常。
5. 由于同步策略不佳導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性降低。
6. 如果設(shè)計(jì)有層次結(jié)構(gòu)，并且DC不能優(yōu)化粘合邏輯。在這種情況下，設(shè)計(jì)需要扁平化以提高優(yōu)化。

2. 約束說(shuō)明

需要為Verilog文件指定的模塊和頂層綜合的重要約束是面積、速度和功率。讓我們排除功率，因?yàn)楣β蕛?yōu)化不是使用DC進(jìn)行的。作為一名設(shè)計(jì)師和綜合團(tuán)隊(duì)成員，我們的目標(biāo)是對(duì)設(shè)計(jì)有功能性的理解，以及對(duì)設(shè)計(jì)的整體面積和速度要求。

2.1 面積約束

在邏輯綜合期間，該區(qū)域是由于使用的邏輯和宏。標(biāo)準(zhǔn)單元信息在庫(kù)中可用，并且需要特定的宏來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的低級(jí)抽象。整體面積優(yōu)化可以在過(guò)程中進(jìn)行：

1. RTL設(shè)計(jì) :使用資源共享、資源分配、消除死區(qū)、使用括號(hào)和摸索等概念。
2. 綜合 :通過(guò)使用工具指定的命令和使用區(qū)域優(yōu)化命令，可以優(yōu)化區(qū)域。

2.2 速度約束

速度是特別重要的因素，因?yàn)樗鼪Q定了設(shè)計(jì)的整體性能。設(shè)計(jì)的速度約束需要根據(jù)特定技術(shù)節(jié)點(diǎn)的庫(kù)中可用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)制定，并且要滿足這些約束。由于實(shí)際的布局布線在邏輯綜合期間不可用，因此目標(biāo)是仔細(xì)查看以消除塊和頂層設(shè)計(jì)的設(shè)置沖突。綜合和STA團(tuán)隊(duì)需要指定以下內(nèi)容：

1. 時(shí)鐘
2. 時(shí)鐘延遲
3. 建立并保持不確定性
4. 輸入和輸出最大和最小延遲
5. 選擇多周期路徑
6. 指定偽路徑

2.3 功率約束

功率是另一個(gè)約束條件，在功率規(guī)劃中，我們將約束條件指定為漏電和動(dòng)態(tài)功率。為了實(shí)現(xiàn)低功耗感知架構(gòu)和設(shè)計(jì)，我們將在各個(gè)設(shè)計(jì)階段使用統(tǒng)一功率格式(UPF)。以下是一些優(yōu)化功率的策略：

1. 架構(gòu)設(shè)計(jì) :具有低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有上電順序和電源關(guān)閉策略。
2. 使用低功率單元 :在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用低功率單元，但設(shè)計(jì)師需要更好地了解單元的特性，因?yàn)檫@些單元的使用對(duì)設(shè)計(jì)速度有重大影響。
3. RTL設(shè)計(jì) :在RTL設(shè)計(jì)中，使用時(shí)鐘門控單元來(lái)降低動(dòng)態(tài)功率。

3. 設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

以下是ASIC綜合過(guò)程中的重要挑戰(zhàn)：

1. 邏輯的修改。
2. 未連接的端口和網(wǎng)絡(luò)滿足了模塊級(jí)速度限制，但在頂層設(shè)計(jì)上失敗了。
3. 雖然RTL驗(yàn)證成功，但設(shè)計(jì)的模塊級(jí)連接存在缺失。

4. 綜合期間的重要SDC命令

本節(jié)討論在綜合過(guò)程中使用的重要DC命令，這些命令對(duì)于指定約束很有用。

4.1 Synopsys DC命令

在ASIC綜合過(guò)程中使用的一些SDC命令記錄在本節(jié)中。

1.Reading the design（讀取設(shè)計(jì)）

**read –format **

以上命令用于讀取設(shè)計(jì)。

2. Analyze the design（分析設(shè)計(jì)）

**analyze –format < format_type > **

用于分析設(shè)計(jì)。它用于報(bào)告語(yǔ)法錯(cuò)誤，并在擁有通用邏輯之前執(zhí)行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。通用邏輯是synopsys通用技術(shù)獨(dú)立庫(kù)的一部分。這些組件被命名為GTECH。這個(gè)邏輯是布爾函數(shù)的未映射表示。

3. Elaborate the design（細(xì)化設(shè)計(jì)）

**elaborate –format < format_type > **

用于細(xì)化設(shè)計(jì)，并可用于在細(xì)化過(guò)程中為相同的分析設(shè)計(jì)指定不同的架構(gòu)。

重要的是要了解Read、Analyze和Elaborate命令的區(qū)別。以下是關(guān)鍵點(diǎn):

1. 在進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，通過(guò)分析和細(xì)化來(lái)傳遞所需的參數(shù)。
2. 在輸入DC中預(yù)編譯的設(shè)計(jì)或網(wǎng)絡(luò)列表時(shí)使用讀取。
3. 使用analyze和elaboration命令，可以在精化過(guò)程中為相同的分析設(shè)計(jì)指定不同的架構(gòu)。
4. read命令不允許使用不同的架構(gòu)。

4.2 設(shè)計(jì)檢查

在使用DC讀取設(shè)計(jì)之后，使用check_design來(lái)檢查設(shè)計(jì)問(wèn)題，如短路、斷路、多個(gè)連接、實(shí)例化和無(wú)連接。

4.3 clock定義

需要使用命令create_clock指定時(shí)鐘，并且在時(shí)序分析期間將其用作參考時(shí)鐘。使用create_clock命令定義時(shí)鐘的示例如下。

**create_clock–name -period **

該命令用于為設(shè)計(jì)創(chuàng)建時(shí)鐘，作為時(shí)序分析時(shí)的參考時(shí)鐘。如果設(shè)計(jì)沒(méi)有時(shí)鐘，那么它將被視為虛擬時(shí)鐘。

時(shí)鐘有不同的占空比

如果設(shè)計(jì)者希望使用具有0.5 ns上升沿和2 ns時(shí)鐘周期的可變占空比時(shí)鐘，則create_clock命令可以修改為

create_clock –name clock - period 2 –waveform {0.5,2} –name processor_clock

虛擬時(shí)鐘

如果設(shè)計(jì)沒(méi)有時(shí)鐘引腳，則使用以下命令創(chuàng)建虛擬時(shí)鐘。

下列命令生成頻率為500mhz，占空比為50%的虛擬時(shí)鐘。

create_clock –name clock -period 2

下列命令生成頻率為500mhz的虛擬時(shí)鐘，具有可變占空比，上升沿為0.5 ns，下降沿為2 ns。

create_clock –name clock -period 5 –waveform {0.5,2}

4.4 skew定義

正如前面的文章所討論的，偏差是時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)之間的差異。如果源觸發(fā)器的時(shí)鐘相對(duì)于目標(biāo)觸發(fā)器延遲，則該偏差稱為負(fù)時(shí)鐘偏差，對(duì)hold有用。如果與源觸發(fā)器相比，目標(biāo)觸發(fā)器的時(shí)鐘延遲，則該偏差稱為正時(shí)鐘偏差，對(duì)setup很有用。原因是目標(biāo)觸發(fā)器的時(shí)鐘延遲，數(shù)據(jù)可能由于偏差而延遲到達(dá)。

設(shè)計(jì)編譯器將無(wú)法綜合時(shí)鐘樹(shù)，所以為了克服這個(gè)問(wèn)題，時(shí)鐘傾斜是用來(lái)指定延遲的!

下列命令由設(shè)計(jì)編譯器用于指定設(shè)計(jì)的時(shí)鐘傾斜

**set_clock_skew –rise_delay -fall_delay **

4.5 Input /output delay 定義

可以分別使用set_input_delay和set_output_delay命令指定輸入和輸出延遲。用于指定輸入和輸出延遲的命令如下所示。

**set_input_delay –clock **

用于定義輸入延遲。

**set_output_delay –clock **

用于定義輸出延遲。

4.6 指定min/max delay

輸入和輸出延遲可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要指定為最小或最大。

Maximum Input Delay

**set_input_delay –clock -max **

用于定義最大輸入延遲。

Minimum Input Delay

**set_input_delay –clock -min **

用于定義最小輸入延遲。

**set_output_delay –clock -max **

用于定義最大輸出延遲。

Minimum Output Delay

**set_output_delay –clock -min **

用于定義最小輸出延遲。

4.7 設(shè)計(jì)綜合

compile命令用于執(zhí)行設(shè)計(jì)綜合。如前一節(jié)所討論的，我們需要將設(shè)計(jì)約束、庫(kù)和Verilog文件作為綜合工具的輸入。設(shè)計(jì)綜合可以使用不同的努力水平(如低、中、高)來(lái)執(zhí)行。

編譯命令指定為：

**compile –map_effort **

4.8 保存設(shè)計(jì)

write命令用于保存設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以將綜合輸出保存為Verilog (.v)或數(shù)據(jù)庫(kù)(.ddc)格式。該命令可以如下所示指定:

**write –format -output **

5. 約束驗(yàn)證

下表列出了用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的重要命令。

6. DRC、功率和優(yōu)化約束

下表列出了用于指定設(shè)計(jì)規(guī)則、功率和優(yōu)化約束的重要命令。

7. 本文總結(jié)

總結(jié)本文的要點(diǎn):

1. 設(shè)計(jì)約束包括優(yōu)化約束和設(shè)計(jì)規(guī)則約束。
2. 綜合是從較高層得到較低層設(shè)計(jì)抽象的過(guò)程。
3. 綜合工具使用Verilog文件、庫(kù)和約束作為輸入。
4. 綜合工具的輸出是門級(jí)網(wǎng)表。
5. 模塊級(jí)和頂層設(shè)計(jì)的約束應(yīng)該記錄在單獨(dú)的Tcl文件中。
6. Synopsys DC沒(méi)有針對(duì)功率進(jìn)行優(yōu)化。
7. 在邏輯綜合過(guò)程中，目標(biāo)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的面積和速度。