約束設(shè)置與邏輯綜合在SoC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

張華棟，龐志勇，陳弟虎

(中山大學(xué)專用集成電路設(shè)計(jì)中心，廣東廣州510275)

系統(tǒng)芯片SoC是目前超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，其集成度高、功能復(fù)雜、時(shí)序要求嚴(yán)格。邏輯綜合是SoC設(shè)計(jì)不可缺少的一環(huán)，它是將抽象的以硬件描述語言所構(gòu)造的模型轉(zhuǎn)化為具體的門級(jí)電路網(wǎng)表的過程。邏輯綜合的質(zhì)量直接影響芯片所能達(dá)到的性能，因而在綜合過程中必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求在時(shí)序、面積和功耗方面設(shè)置正確的約束。

本文針對(duì)中山大學(xué)ASIC設(shè)計(jì)中心自主開發(fā)的一款系統(tǒng)芯片ZSU32，以Synopsys公司的Design Compiler為綜合工具，探索了對(duì)SoC芯片進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)流程和方法，特別對(duì)綜合過程的時(shí)序約束進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出了有效的綜合約束設(shè)置方案。

1 時(shí)序約束原理

同步電路是大多數(shù)集成電路系統(tǒng)的主流選擇。同步電路具有工作特性簡單、步調(diào)明確、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，因?yàn)樗械臅r(shí)序元件受控于一個(gè)特定的時(shí)鐘，所以數(shù)據(jù)的傳播必須滿足一定的約束以便能夠保持與時(shí)鐘信號(hào)步調(diào)一致。

圖1是一個(gè)典型的局部路徑，它需要滿足兩方面的條件:防止數(shù)據(jù)太遲到達(dá)目的寄存器導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能正確保存；防止新的數(shù)據(jù)過早到達(dá)導(dǎo)致覆蓋了前一數(shù)據(jù)。

設(shè)置建立時(shí)間(setup time)約束可以滿足第一個(gè)條件:

設(shè)置保持時(shí)間(hold time)約束可以滿足第二個(gè)條件:

式(1)、式(2)中:Tclk是寄存器工作時(shí)鐘周期；tclk-q是從時(shí)鐘沿到達(dá)至信號(hào)傳輸?shù)絈端的延時(shí)；tlogic是組合邏輯的傳輸延時(shí)；twire是互連線的傳輸延時(shí)；tskew是時(shí)鐘偏差；tsetup是建立時(shí)間，即時(shí)鐘沿到達(dá)之前，D端數(shù)據(jù)必須已經(jīng)穩(wěn)定的最短時(shí)間。thold是保持時(shí)間，即時(shí)鐘沿到達(dá)后，D端數(shù)據(jù)仍需保持穩(wěn)定的最短時(shí)間。

2 ZSU32系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)

ZSU32芯片內(nèi)置32 bit MIPS體系處理器作為CPU，具備兩路獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存，CPU內(nèi)部有獨(dú)立的DSP協(xié)處理器和浮點(diǎn)協(xié)處理器，同時(shí)集成了LCD控制器、MPEG硬件加速器、AC97控制器、SRAM控制器、NAND Flash控制器、SATA高速硬盤控制器、以太網(wǎng)MAC控制器等，并具有I2C、I2S、SPI、、UART、GPIO等多種接口模塊。圖2是ZSU32的總體結(jié)構(gòu)。

3 ZSU32系統(tǒng)芯片的約束設(shè)置與邏輯綜合

采用Design Compiler工具對(duì)ZSU32進(jìn)行邏輯綜合的基本流程如圖3所示。

ZSU32系統(tǒng)芯片的綜合采取自底向上的策略，先局部后整體。首先將當(dāng)前工作層次設(shè)置為系統(tǒng)芯片的某個(gè)子模塊，然后對(duì)該子模塊添加各項(xiàng)具體約束，接著完成子模塊的綜合。依次對(duì)各子模塊重復(fù)上述綜合流程，當(dāng)各個(gè)模塊都順利通過了初次綜合后，通過set_dont_touch_network命令將模塊中的關(guān)鍵路徑和時(shí)鐘線網(wǎng)保護(hù)起來，然后做一次全局優(yōu)化，檢查是否滿足時(shí)序等各方面的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到要求就可以輸出最終的網(wǎng)表和各項(xiàng)綜合報(bào)告。

3.1 設(shè)定工藝庫和參考庫

設(shè)置Design Compiler運(yùn)行所使用的庫:目標(biāo)庫(target_library)、鏈接庫(link_library)、可綜合庫(synthetic_library)、符號(hào)庫(symbol_library)。其中的目標(biāo)庫中包含了標(biāo)準(zhǔn)單元庫、RAM單元庫、I/O單元庫、PLL單元庫等，通常是由芯片代工廠家提供。系統(tǒng)芯片ZSU32采用的是中芯國際的0.18 μm CMOS工藝庫，所以在設(shè)置時(shí)就把目標(biāo)庫指向該工藝庫。

#設(shè)置目標(biāo)工藝庫

set target_librarySMIC.db

3.2 讀入RTL設(shè)計(jì)與設(shè)置工作環(huán)境

讀入RTL設(shè)計(jì)通常有自頂向下或者自底向上2種方式。因?yàn)閆SU32模塊眾多，所以采用自底向上的讀入方式。首先讀入各個(gè)子模塊，并分別編譯；然后更改層次，編譯上一層的模塊；最后會(huì)合成整個(gè)系統(tǒng)。

讀入設(shè)計(jì)后，首先設(shè)置芯片的工作環(huán)境，根據(jù)采用的工藝庫提供的環(huán)境和線網(wǎng)負(fù)載模型，可以通過set_operating_condition和set_wire_load_model命令進(jìn)行設(shè)置。以下是ZSU32綜合環(huán)境的頂層環(huán)境設(shè)置:

3.3 時(shí)序約束

3.3.1 時(shí)鐘定義

時(shí)鐘是整個(gè)時(shí)序約束的起點(diǎn)。系統(tǒng)芯片ZSU32將外部輸入時(shí)鐘和PLL模塊輸入時(shí)鐘作為源時(shí)鐘:ext_clk_i和pll_clk_i。通過對(duì)這2個(gè)源時(shí)鐘信號(hào)的分頻或者倍頻，產(chǎn)生了各個(gè)子模塊的時(shí)鐘信號(hào)。

在SoC芯片內(nèi)部，子模塊的時(shí)鐘實(shí)際是經(jīng)過源時(shí)鐘分頻或者倍頻得到的，使用create_generated_clock命令來建立子模塊時(shí)鐘。

3.3.2 多時(shí)鐘域約束

時(shí)序檢查默認(rèn)以一個(gè)時(shí)鐘周期為界，但對(duì)于ZSU32系統(tǒng)芯片，存在著一些多周期路徑，在這些路徑上，數(shù)據(jù)不需要在單時(shí)鐘周期內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。例如，clk30mhz和clk10mhz是同源的同步時(shí)鐘，前者頻率是后者的3倍，對(duì)從clk10mhz時(shí)鐘域向clk30mhz時(shí)鐘域傳輸數(shù)據(jù)的路徑，采用如下命令:

對(duì)于異步時(shí)鐘域之間的路徑，不用進(jìn)行同步的時(shí)序檢驗(yàn)，應(yīng)該將其定義為偽路徑(false path)，這樣在邏輯綜合時(shí)就不必浪費(fèi)資源去優(yōu)化。

#將異步時(shí)鐘e_clk和p_clk之間的路徑設(shè)置為偽路徑

3.3.3 時(shí)鐘偏移

芯片中時(shí)鐘經(jīng)過不同的傳輸路徑，由于每條路經(jīng)延時(shí)不一，導(dǎo)致從時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器的始終輸入端的相位差。這種由于空間分布而產(chǎn)生的偏差叫做時(shí)鐘傾斜(clock skew)。此外，由于溫漂、電子漂移的隨機(jī)性，使時(shí)鐘信號(hào)的邊沿可能超前也可能滯后。這種具有時(shí)間不確定性的偏移稱為時(shí)鐘抖動(dòng)(clock jitter)。偏移導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘引腳的時(shí)間不一致，需要給予約束。#設(shè)置時(shí)鐘偏移為0.4 ns

3.4 端口約束

SoC芯片通過大量輸入和輸出端口與外界進(jìn)行信息的傳輸，端口約束主要用于約束頂層端口相連的片內(nèi)組合邏輯，包括確定輸入延時(shí)、輸出延時(shí)、輸出負(fù)載、輸出扇出負(fù)載、輸入信號(hào)躍遷時(shí)間等。

3.4.1 端口延時(shí)

輸入延時(shí)是指外部邏輯到電路輸入端口的路徑延時(shí)。輸出延時(shí)是指輸出端口到外部寄存器的路徑延時(shí)。圖4是輸入輸出延時(shí)示意圖。

設(shè)置范例如下:

3.4 .2端口的驅(qū)動(dòng)與負(fù)載

端口的驅(qū)動(dòng)和負(fù)載特性通過設(shè)置輸入驅(qū)動(dòng)單元、輸入輸出負(fù)載值以及信號(hào)躍遷時(shí)間等來描述。范例如下:#設(shè)置端口a7的驅(qū)動(dòng)單元是BUFX2

3.5 面積和功耗約束

Design Compiler的綜合以時(shí)序優(yōu)先，即優(yōu)化完約束后才根據(jù)約束優(yōu)化面積和功耗。初次綜合時(shí)很難對(duì)面積進(jìn)行評(píng)估，所以在第一次綜合時(shí)設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為0，表示在滿足時(shí)序約束的情況下最大努力地減小面積。待綜合報(bào)告出來之后，根據(jù)初步的面積和功耗報(bào)告，修改數(shù)值，從而進(jìn)一步優(yōu)化。

3.6 綜合結(jié)果

根據(jù)上述綜合流程和約束設(shè)置，ZSU32系統(tǒng)芯片在邏輯綜合后滿足了時(shí)序約束，同時(shí)為后續(xù)物理設(shè)計(jì)提供了較好的起點(diǎn)。圖5是ZSU32時(shí)序分析報(bào)告的一部分。

從報(bào)告中看到，該路徑起點(diǎn)是i_ZSU32_top/i_eth2_top/miim1/clkgen/U42/Y，終點(diǎn)是i_ZSU32_top/i_eth2_top/miim1/shftrg/ShiftReg_reg_1_，路徑的時(shí)序裕量是2.96 ns。

ZSU32采用中芯國際0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)單元庫進(jìn)行了邏輯綜合和版圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，6層金屬布線，已成功流片。電路綜合規(guī)模為200萬門，所有cell的面積為19 195 460 μm2，芯片總面積小于5 mm×5 mm。

[1]Synopsys.Design Compiler User Guide，Version Y-2008.06，Synopsys.

[2]BHATNAGAR H.Advanced ASIC chip synthesis using synopsys design compiler physical compiler and prime time(second edition).Kluwer Academic Publishers，2002.

[3]RABAEY J M.Anantha chandrakasan，borivoje nikolic.Digital Integrated CircuitsA Design Perspective(Senond Edition)(影印版).北京:清華大學(xué)出版社，2004，3.