摘要:   本文介绍了IC设计中逻辑综合的一般步骤及相关基本概念,并在此基础上以综合工具Design Compiler为例,从基本电路单元、端口、边界和结构4个方面,着重阐述 了对关键路径的处理方法。
      
关键词综合;Design Compiler;关键路径
      
引言
     
     
在IC设计流程中,逻辑综合是后端设计中很重要的一个环节。综合就是指使用综合工具(本文以Design Compiler为例),根据芯片制造商提供的基本电路单元库,将硬件描述语言描述的RTL级电路转换为电路网表的过程。主频是芯片性能的重要指标之一,如果希望关键路径的延迟满足芯片设计的周期时间,不但需要RTL代码描述满足要求,更要讲究综合中对关键路径的处理方法。
图1
图1 常见的时序路径示意图
      
    
图2
图2 边界转化示意图
      
     
图3
图3 structuring策略下某一逻辑的综合电路
      
     
图4
图4 flattening策略下同一逻辑的综合电路
综合概述
     
1 综合中的延迟及关键路径

     
       图1中给出了常见的两个寄存器R1和R2之间的时序路径。R1和R2分别具有延迟Tck-q和Tsetup,TM和TN分别是M和N逻辑具有的延迟。B对R1来说是输出端口,输出延迟为Tsetup+TN,而对R2是输入端口,输入延迟为Tck-q+TM,于是这条单周期路径的总延迟为Tck-q+TM+Tsetup+TN。
       从延迟的角度来说,关键路径就是指那些总延迟大于相应周期时间的路径。消减关键路径的延迟要从消减路径中的各部分延迟入手,主要方法就是利用综合工具对路径施加约束条件来限制优化,达到减小路径延迟的目的。
     
2 综合的主要过程
  • 翻译:读入电路的RTL级描述,并将语言描述翻译成相应的功能块以及功能块之间的拓扑结构。这一过程的结果是在综合器内部生成电路的布尔函数表达式,不做任何逻辑重组和优化。
  • 优化:根据所施加的时序和面积约束,按照一定的算法对翻译结果进行逻辑重组和优化。
  • 映射:根据所施加的时序和面积约束,从目标工艺库中搜索符合条件的单元来构成实际电路的逻辑网表。
     一般的综合步骤如表1所示。从表1中可以看出,约束条件是综合过程的重要组成部分。综合正是通过设置约束条件来优化设计,以达到设计要求的。
     
对关键路径延迟的主要约束处理方法
     
1 通过选择器件的处理方法
     
      从最直观的角度看,时序逻辑和组合逻辑都由基本的电路单元组成,因此,选择延迟小且不影响芯片性能的器件是既简易又高效的处理方法。例如,基本电路单元库中的DFFXL寄存器虽然面积较小,但它的延迟相关参数Tck-q、Tsetup较大,容易形成关键路径,于是可以通过设置set_dont_use等约束来禁用它。在一些特殊情况下,基本电路单元库中的器件不能满足要求,这时需要采用自定义的电路单元。
     
2 对端口间逻辑的处理方法
       这是诸方法中最常用、最有效、最重要的,一般通过set_input_delay、set_output_delay、set_max_delay等来实现,有以下几种情况:

     如果两个寄存器之间的逻辑比较少,那么可以对其输入延迟和输出延迟施加较宽裕的约束,即设置较大的set_input_delay和set_output_delay值,表明所做逻辑不受压缩,映射电路基本单元库的自由度较大。这样,两者的实际延迟之和将不大于单周期时间(非关键路径),不仅满足设计要求,而且对其他关键路径的影响很小。

       如果两个寄存器之间的逻辑比较多,那么就要对其输入延迟和输出延迟施加较严厉的约束,即设置较小的set_input_delay和set_output_delay值,表明所做逻辑需要压缩,而映射电路基本单元库的自由度也较小。但这并不表示越小越好,如果设的值很小(甚至为零),那么会使综合器对这条路径的逻辑压缩得过大,而导致其它关键路径的延迟增加,甚至导致其它非关键路径转化为关键路径。因此要凭借经验,不断改变所设的约束值,最终使所有路径的延迟都不大于单周期时间,满足设计要求。

       对于一般芯片设计(中小规模),在以上两种情况下,对其输入延迟和输出延迟合理施加约束,基本就能满足设计要求。如有个别几条关键路径延迟仍然较长,可以通过设置set_critical_range和group_path来加以约束。这两种约束对所约束路径的逻辑压缩效果较好,且不会影响其它路径的延迟。采用这样的约束之后,关键路径通常都能被消除了。
      对于一些大规模的芯片设计和上述处理后仍然存在关键路径的情况,就要用set_max_delay来进行约束,这种约束的效果非常明显,但会影响其它路径的延迟。因此也要凭借经验,不断改变所设的约束值,最终使所有路径的延迟都能满足设计要求。
     
3 对层次间边界的处理方法
     
      
硬件描述语言描述的RTL级电路通常是多层次模块,对其进行综合后得到的电路依然以独立模块的方式存在,即存在边界问题,因此综合中有专门针对边界问题的约束,利用这些约束可以打散边界、保持边界,或重新整合边界,从而优化边界,达到设计要求。
    
       如图2所示,约束group用来生成新的层次模块,而约束ungroup的作用刚好相反,它用来打散边界,消除层次模块。通常它们都会结合起来使用,但不管以哪种方式选择边界,都应该根据具体的设计要求,参照综合结果,选择最好的方法。
    
      在用硬件描述语言描述RTL级电路时,有时会专门设计某些单独模块(类似全定制电路)来简化实现一定的功能,从而缩短延迟并减小面积。在综合中利用约束set_dont_touch可以保证这类模块不受影响,保持边界。
     
4 对电路结构的处理方法
     
      
一般情况下,设计者在描述RTL级电路时就应该考虑诸多因素,对电路结构进行规划,而在综合中只要将RTL代码映射到基本电路单元库几乎就能达到预期要求。但在有些状况下,还是需要利用一些约束来进行优化,这里仅以最常见的set_structure和set_flatten来加以说明。
    
      structuring是综合中默认的逻辑优化策略,它同时考虑了延迟(速度)优化及面积优化;而flattening这种策略往往以牺牲面积来达到缩短延迟的目的。
    
      对某一逻辑的RTL级描述采用structuring和flattening两种策略得到的综合电路分别如图3、图4所示。flattening策略下得到的电路只有两级,延迟小于structuring策略下得到的三级电路,但电路面积比较大。当今IC工艺已经进入深亚微米级,因而在设计中往往需要首先考虑延迟因素,但究竟选择哪种策略,还是要根据具体的设计要求而决定。
     
结语
     
       本文介绍了几种处理关键路径的主要方法,还有其它一些方法也能对关键路径有所贡献,但效果不是很明显,这里就不再赘述。在通常情况下,依照这些方法就能够优化设计并满足要求。如果采用上述方法后还不能消除关键路径达到设计要求,就需要改进系统级设计,修改RTL代码,再重新进行综合。