第一章 集成電路設(shè)計概論

IP模塊包括軟IP，固化IP和硬IP三種類型。其中軟IP用HDL描述；固化IP用門級網(wǎng)表描述；硬IP是指實現(xiàn)到物理版圖的硅塊（Silicon Block）。

1.2 集成電路系統(tǒng)的組成
一個常見的集成電路系統(tǒng)，有如下模塊：
（1）數(shù)字電路模塊
（2）模擬電路模塊
（3）知識產(chǎn)權(quán)IP核
（4）邊界掃描模塊
（5）輸入/輸出PAD
（6）內(nèi)存

數(shù)字電路大致可以分為數(shù)據(jù)通路（Data Path）和控制通路（Control Path）。數(shù)據(jù)通路主要指加減乘除的運(yùn)算器。控制通路是控制管理數(shù)據(jù)流通和信號開關(guān)等的邏輯。

模擬電路一般有：數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。可編程增益放大器（PGA），通過數(shù)字電路來控制模擬增益。鎖相環(huán)（PLL），用于產(chǎn)生高頻的時鐘和進(jìn)行時鐘信號的相位校正。

知識產(chǎn)權(quán)IP核：推動寄存器傳輸級的設(shè)計自動化進(jìn)程。知識產(chǎn)權(quán)核的設(shè)計再利用是保證系統(tǒng)級芯片開發(fā)效率和質(zhì)量的重要手段。USB既是IP核，也是一種輸入輸出設(shè)備。

邊界掃描電路（如JTAG）：邊界掃描技術(shù)的基本思想是在芯片端口和芯片內(nèi)部邏輯電路之間，即芯片的邊界上加上邊界掃描單元（移位寄存器單元）。因為這些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上，所以被稱為邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)的時候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片核心和外圍的輸入輸出隔離開來。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實現(xiàn)對芯片輸入輸出信號的觀察和控制。

對于芯片的輸入端口管腳，可以通過與之相連的邊界掃描寄存器單元把信號加載到該管腳中去；對于芯片的輸出端口管腳，也可以通過與之相連的邊界掃描寄存器捕獲該管腳上的輸出信號。芯片輸入輸出管腳上的邊界掃描（移位）寄存器單元可以相互連接起來，在芯片的周圍形成一個邊界掃描鏈（Boundary-Scan Chain）。邊界掃描鏈可以串行地輸入和輸出，通過相對應(yīng)的時鐘信號和控制信號，可以方便的觀察和控制處在調(diào)試狀態(tài)下的芯片。

輸入/輸出PAD
PAD是直接與外部世界相連接的特殊單元，因此必須考慮外部電路的寄生參數(shù)影響、靜電保護(hù)、封裝要求、電壓轉(zhuǎn)換、過壓保護(hù)和信號完整等。I/OPAD通常分為三類：輸入PAD、輸出PAD和雙向PAD。一般來說，I/O PAD比集成電路核心的單元有更長的延遲和更高的驅(qū)動能力。

由于連線之間的距離很近，連線之間的耦合電容會引起信號的串?dāng)_（cross talk）。串?dāng)_會影響時序，使原本收斂的設(shè)計，又產(chǎn)生時序違反（Timing Violation），使芯片不能正常工作。
連線的電阻寄生效應(yīng)會導(dǎo)致顯著的電壓下降，從而影響芯片的供電電壓和信號電平。在IC系統(tǒng)中，通過電源網(wǎng)絡(luò)來供電。一個數(shù)字電路系統(tǒng)要能正常工作，必須為它的邏輯單元提供穩(wěn)定的直流電壓，并且這個電壓的起伏要盡可能的小。加寬電源線可以降低電阻，從而減少壓降，并且會增加允許通過的峰值電流，但是會占用過多的面積。

第二章 數(shù)字電路的高級設(shè)計和邏輯綜合

2.1 RTL硬件描述語言設(shè)計
硬件描述語言支持行為級、寄存器傳輸級和門級三個不同級別的設(shè)計，目前人們普遍使用寄存器傳輸級源代碼進(jìn)行設(shè)計。

2.1.1行為級硬件描述語言
Behavioral Level HDL使用行為來描述設(shè)計的功能。這種行為的描述需要詳細(xì)制定何時讀進(jìn)輸入，何時對輸入進(jìn)行操作，何時把操作結(jié)果寫到輸出端口。在行為級語言時，并不需要指出由有限狀態(tài)機(jī)控制設(shè)計或何時執(zhí)行每個操作時鐘周期。需要工具在綜合時決定這些操作。

2.1.2 寄存器傳輸級硬件描述語言
RTL代碼中通常既不包含電路的時間（路徑延遲），也不包含電路的面積。
RTL代碼定義了：（1）電路的寄存器結(jié)構(gòu)和寄存器的數(shù)目
（2）定義了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
（3）輸入/輸出接口與寄存器之間組合電路的邏輯功能，寄存器與寄存器之間組合電路的邏輯功能。

這些組合電路的邏輯功能是如何由具體的電路實現(xiàn)，需要對電路施加約束，由工具產(chǎn)生。

RTL源代碼的功能驗證完成后，用DC綜合處門級電路。

2.1.3 結(jié)構(gòu)化硬件描述語言
結(jié)構(gòu)化描述語言定義了形成物理電路之間的連接關(guān)系。門級硬件描述語言（Gate Level HDL）或門級網(wǎng)表（Gate Level Netlist）是結(jié)構(gòu)級硬件描述語言。用Verilog或VHDL語言描述各個邏輯單元之間的連接關(guān)系，以及輸入輸出端口和邏輯單元之間的連接關(guān)系。門級電路的生成一般可以由邏輯綜合來實現(xiàn)。

2.2 邏輯綜合（logic synthesis）
綜合是把概念轉(zhuǎn)換為可以制造器件的轉(zhuǎn)移過程，而該器件能執(zhí)行預(yù)期的功能。
2.1.1 邏輯綜合的基本步驟
電路的邏輯綜合一般由三步組成，即
綜合（Synthesis） = 轉(zhuǎn)化（Translation） + 邏輯優(yōu)化（Logic Optimization） + 映射（Mapping）。

先通過read命令將RTL代碼轉(zhuǎn)換成通用的布爾等式，即GTECH（Generic Technology）格式；然后執(zhí)行complile命令，該命令按照設(shè)計的約束對電路進(jìn)行綜合和優(yōu)化，使電路能滿足設(shè)計的目標(biāo)或約束，并且使用目標(biāo)工藝庫中的邏輯單元映射成門級網(wǎng)表。

使用HDL語言和邏輯綜合進(jìn)行設(shè)計，有如下優(yōu)點：
（1）提高設(shè)計效率
（2）抽象設(shè)計
（3）設(shè)計訣竅
（4）重復(fù)復(fù)用
（5）驗證方便
（6）便攜性強(qiáng)
綜合的結(jié)果和設(shè)計的約束有很大的關(guān)系，通過設(shè)計的約束（design constraint）設(shè)置目標(biāo)，綜合工具對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化來滿足我們的目標(biāo)。

綜合以時序路徑為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化。DC在對設(shè)計做綜合時，其過程包括了進(jìn)行靜態(tài)時序分析（Static Timing Analysis ，STA）。DC使用其內(nèi)建的靜態(tài)時序分析器把設(shè)計分解成多條時間路徑，然后根據(jù)設(shè)計的約束對這些路徑進(jìn)行優(yōu)化。STA計算每一條路徑的延遲（Delay），然后把延遲的結(jié)果和約束進(jìn)行比較，如某條路徑的時間延遲大于約束的值，則該路徑時序違規(guī)（Timing Violation）。這時電路不能正常工作，無法到達(dá)原來的設(shè)計目標(biāo)。

2.2.2 綜合工具 Design Compiler
邏輯綜合包括讀入HDL源代碼和對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。
在綜合過程中，優(yōu)化進(jìn)程嘗試完成庫單元的組合，使組合電路能最好地滿足設(shè)計的功能、時序和面積的要求。

編譯（compile）是DC的一個命令，設(shè)計者使用該命令對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。在讀入設(shè)計和做完其他必要的任務(wù)后（如加上設(shè)計約束），設(shè)計者執(zhí)行compile命令為設(shè)計產(chǎn)生優(yōu)化的門級網(wǎng)表。

2.2.3 目標(biāo)庫和初始環(huán)境設(shè)置
綜合 = 轉(zhuǎn)化 + 邏輯優(yōu)化 + 映射

技術(shù)綜合庫包括單元的延遲。單元的延遲與輸入的邏輯轉(zhuǎn)換時間（Input Translation Time）和輸出的負(fù)載（Output load）有關(guān)。根據(jù)每個單元的輸入邏輯轉(zhuǎn)換時間和輸出負(fù)載，可以在技術(shù)綜合庫提供的查找表中查出單元的延遲。

DC在做編譯時，使用目標(biāo)庫（Target Library）來構(gòu)成電路圖。映射電路圖時，DC在用目標(biāo)庫指定的綜合庫中選用功能正確的邏輯門單元，使用廠商所提供的這些門單元的時間數(shù)據(jù)計算電路的路徑延遲。

DC中，target_library是保留變量，設(shè)置這個變量以指向廠商提供的綜合庫文件。例如
set target_library my_tech.db

連接庫（link_library）是保留變量，用于分辨電路中邏輯門單元和子模塊的功能。
set link_library “* my_tech.db”

DC讀入設(shè)計時，它自動讀入由link_library變量指定的庫。

分辨門單元和模塊（也叫做連接）意味著要找出網(wǎng)表中門單元和模塊邏輯和功能，并且用實際的庫單元或子模塊替代他們。

第三章 系統(tǒng)的層次劃設(shè)計和模塊劃分

3.1 設(shè)計組成及DC-Tcl
端口（ports）可以有方向、驅(qū)動單元、最大電容等屬性和約束
單元（cells）可以有功能、連線、面積的大小和時間信息的屬性
設(shè)計（designs）可以有面積、最大工作條件、功耗等的屬性和約束

3.1.1 設(shè)計物體（Design Object）
DC中，每個設(shè)計由6個設(shè)計物體（Design Object）組成，分別是設(shè)計（design）、端口（ports）、單元（cell）、引腳（pin）、連線（net）和時鐘（clock）。其中時鐘是特別的端口，它存放在DC內(nèi)存中，使用戶自己定義的物體。

creat_clock -period 4 [get_ports CLK]

如果執(zhí)行命令“set-load 5 A”，此命令并沒有給DC足夠的信息把負(fù)載加到哪個物體上，因為命令并沒有指出物體A是端口，是連線或是引腳。這種情況下，DC把5個電容單位的負(fù)載加到自己選擇的物體A上，這時物體A可能是端口，也可能是連線或是引腳。

我們可以用“get_*”命令來選擇特定的物體。如果要在連線A上加上5個電容單位的負(fù)載，應(yīng)用下面的命令：

set_load 5 [get_nets A]

物體可以與通用字符“*” 或 “？”一起使用。

set_load 5 [get_ports addr_bus*] set_load 6 [get_ports "A* B*"]

3.2 層次（Hierarchy）結(jié)構(gòu)和模塊劃分（Partition）及修改
SOC設(shè)計由一些模塊組成。對于設(shè)計復(fù)雜規(guī)模又大的電路，需要對它進(jìn)行劃分（Partitioning），然后對劃分后比較簡單規(guī)模又小的電路做處理。這時，由于電路小，處理和分析比較方便簡單，容易較快的達(dá)到要求。再把已經(jīng)處理好的小電路集成為原來的大電路。

設(shè)計時，為了得到最優(yōu)的電路，需要對整個電路作層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對整個設(shè)計進(jìn)行劃分，使每個模塊以及整個電路的綜合結(jié)果能滿足我們的目標(biāo)。

由于DC在對整個電路做綜合時，必須保留每個模塊端口。因此，邏輯綜合不能穿越模塊邊界，相鄰模塊的組合邏輯也不能合并。從寄存器A到寄存器C的路徑延時較長，這部分的電路面積較大。

將相關(guān)的組合電路合到一個模塊，原來模塊A、B和C中的組合電路沒有了層次的分隔，綜合工具中對組合電路優(yōu)化的技術(shù)也能得到充分利用。這時電路的面積比原來要小，從寄存器A到寄存器C的路徑的延時也短了。

圖中，模塊的輸出邊界是寄存器的輸出端。由于組合電路之間沒有邊界，其輸出連接到寄存的數(shù)據(jù)輸入端，可以充分利用綜合工具對組合電路和時序電路的優(yōu)化技術(shù)，得到最優(yōu)的結(jié)果，同時也簡化了設(shè)計的約束。圖中每個模塊除時鐘端口外所有的輸入端口延時是相同的，等于寄存器的時鐘引腳CLK到輸出引腳Q的延時。

膠合邏輯是連接到模塊的組合邏輯，頂層的與非門僅僅是個例化的單元，由于膠合邏輯不能被其他模塊吸收，優(yōu)化收到了限制。如果采用由低向上的策略，需要在頂層做額外的編譯（compile）。

膠合邏輯可以和其他邏輯一起優(yōu)化，頂層設(shè)計也只是結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)表。不需要再做額外的編譯。

3.2.3 模塊劃分的修改
對設(shè)計做編輯時，需要考慮劃分模塊規(guī)模的大小應(yīng)與現(xiàn)有的計算機(jī)中央處理器（CPU）和內(nèi)存資源相匹配。盡量避免下面劃分不當(dāng)情況：
（1）模塊太小 由于人工劃分的模塊邊界，使得優(yōu)化收到限制，綜合的結(jié)果可能不能是最優(yōu)的
（2）模塊太大 做編輯所需的運(yùn)行時間可能會太長，由于要求設(shè)計的周期短，不能等太久。

按照期望的周轉(zhuǎn)時間，一般模塊的劃分規(guī)模大約為400~800K門。對設(shè)計作綜合時，比較合理的運(yùn)行時間是一晚上。

作劃分時，要把核心邏輯（core logic），IO，Pads，時鐘產(chǎn)生電路，異步電路和JTAG電路分開，放到不同的模塊中。

頂層設(shè)計至少劃分為3層的層次結(jié)構(gòu)，
（1）頂層（Top-level）
（2）中間層（Mid-level）
（3）核心功能（Functional core）

異步電路的設(shè)計，其約束和綜合與同步電路不同，所以也放在與核心功能不同的模塊里。
為了使電路的綜合結(jié)果最優(yōu)化，綜合的運(yùn)行時間適中，需要對設(shè)計做出合適的劃分。

DC兩種方法修改劃分：
（1）自動修改劃分
綜合過程中DC需透明地修改劃分。在DC中使用命令:

compile -auto_ungroup area|delay

DC在綜合時將自動取消小的模塊劃分。取消模塊分區(qū)由變量

compile_auto_ungroup_delay_num_cells compile_auto_ungroup_area_mum_cells

控制。

compile -ungroup_all

DC在綜合時將自動取消所有的模塊分區(qū)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)。此時，設(shè)計將只有頂層一層的電路。

（2）手工修改劃分
用戶用命令指示所有的修改。

group命令產(chǎn)生新的層次模塊。

ungroup命令取消一個或者所有的模塊分區(qū)。

如果要在當(dāng)前設(shè)計中取消所有的層次機(jī)構(gòu)，用命令：
ungroup -all -flatten

模塊劃分策略總結(jié)：
（1）不要通過層次邊界分離組合電路
（2）把寄存器的輸出作為劃分邊界
（3）模塊的規(guī)模大小適中，運(yùn)行時間合理
（4）把核心邏輯，Pads，時鐘產(chǎn)生電路，異步電路和JTAG電路分開到不同的模塊。

第四章 電路的設(shè)計目標(biāo)和約束

設(shè)計規(guī)格中，一般包括電路的功能、設(shè)計的層次結(jié)構(gòu)和模塊劃分、輸入/輸出端口及其驅(qū)動屬性、電路的工作頻率、電路的最大功耗、電路的最大面積、最小的測試覆蓋率等等。

4.1 設(shè)計的時序約束
RTL代碼中并不包括電路的時序（路徑的延時）和電路面積（門數(shù)）。
電路的邏輯綜合由三步組成：
綜合 = 轉(zhuǎn)化 + 邏輯優(yōu)化 + 映射

先將RTL源代碼轉(zhuǎn)化為通用的的布爾等式------GTECH格式；然后按照設(shè)計的約束對電路進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，使電路能滿足設(shè)計的目標(biāo)或約束；最后使用目標(biāo)工藝庫的邏輯單元映射成門級網(wǎng)表。綜合的結(jié)果包括了電路的時序和面積。

4.1.1 同步（Synchronous）電路和異步（Asynchronous）電路
同步電路是指電路的所有時鐘來自同一個時鐘源。
圖（a）和圖（c）都是同步電路。

異步電路是指電路的時鐘來自不同的時鐘域。
時鐘CLKA和CLKB來自不同的振蕩器OSC1和OSC2，它們之間沒有固定的相位關(guān)系。

4.1.2 亞穩(wěn)態(tài)（Metastability）
每個觸發(fā)器都有其規(guī)定的setup（建立）和hold（保持）時間參數(shù)，該參數(shù)存放在由半導(dǎo)體廠商所提供的工藝庫中。假設(shè)觸發(fā)器由時鐘的上升沿觸發(fā)，在這個時間參數(shù)內(nèi)，輸入信號是不允許發(fā)生變化的。否則在信號的建立或保持時間中對其采樣，獲得的結(jié)果是不可預(yù)知的，有可能是“1”，“0”，“x”，“z”，即亞穩(wěn)態(tài)。

4.1.3 單時鐘同步設(shè)計的時序約束
對于同步電路，為了使電路能正常工作，即電路在我們規(guī)定的工作頻率和工作環(huán)境中能功能正確的工作，需要對設(shè)計中的所有路徑進(jìn)行約束。

由于邏輯單元和連線是有延遲的，如果從寄存器FF1的clk引腳到寄存器FF2的D引腳的最大延遲小于時鐘周期減去寄存器FF2的建立時間，即
Tco + Tlogic <= Tcycle - Tsetup

如果從寄存器FF1的clk引腳到寄存器FF2的D引腳的延遲大于時鐘周期減去寄存器FF2的建立時間，而且其值小于時鐘周期加上寄存器FF2的保持時間，這時，電路Q2的輸出為不定值，電路不能正常工作。

一般情況下，如果寄存器和寄存器之間的組合邏輯延遲大于1clock cycle - Tsetup，電路的功能就會不正確。
Tclk-Q是FF2的從引腳clk到引腳Q的延時，Tsetup是FF3的建立時間，這兩個參數(shù)都由工藝庫提供。
DC中用creat_clock命令來定義時鐘

creat_clock -period 10 [get_port CLk]

定義時鐘時（除虛擬時鐘外），必須定義時鐘周期和時鐘源（端口或引腳），也可以加上一些可選項來定義時鐘的占空因數(shù)，偏移和時鐘名。

可以用report_clock命令來查看所定義的時鐘及屬性。

在默認(rèn)情況下，邏輯綜合時，即使一個時鐘要驅(qū)動很多寄存器，DC也不會在時鐘的連線上加時鐘緩沖器（clock buffer），時鐘輸入端直接連接到所有寄存器的時鐘引腳。在時鐘連線上加上時鐘緩沖器或作時鐘樹的綜合一般由后端工具完成，后端工具根據(jù)整個設(shè)計的物理布局（placement）數(shù)據(jù)，進(jìn)行時鐘樹的綜合。加上時鐘緩沖器后，使整個時鐘樹滿足skew、latency和transition的目標(biāo)。用下面的命令建立時鐘模型

set_clock_uncertainty set_clock_latency set_clock_transition

偏差（uncertainty）表示時鐘網(wǎng)絡(luò)分支的延遲差異（相位差異）。這種延遲差異稱為clock skew。
用set_clock_uncertainty命令來模擬時鐘樹

set_clock_uncertainty -setup TU [get_clocks CLK]

TU = clock skew + jitter。

假設(shè)時鐘周期為10ns，時鐘的偏差為0.5ns，用下面命令來定義時鐘：

creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_clock_uncertainty -setup 0.5 [get_clocks CLK]

在默認(rèn)情況下，“set_clock_uncertainty”命令如果不加開關(guān)選項“-setup”或“-hold”，那么該命令給時鐘賦予相同的建立時間和保持時間偏差值。

時鐘網(wǎng)絡(luò)的延遲（clock network latency）是時鐘信號是從其定義的點（端口或引腳）到寄存器時鐘引腳的傳輸時間。時鐘源延遲（clock source latency），也稱插入延遲（insertion delay），是時鐘信號從其實際時鐘原點到設(shè)計中時鐘定義點的傳輸時間。
時鐘網(wǎng)絡(luò)延遲用下面的命令定義：

creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_clock_latency -source 3 [get_clocks CLK] set_clock_latency 1 [get_ports CLK]

在做布局布線之前，用set_clock_latency命令來模擬時鐘網(wǎng)絡(luò)的延遲。做完布局布線后，用set_propagated_clock來計算時鐘網(wǎng)絡(luò)的真實延遲。

版圖前的時鐘模型：

creat_clock -p 20 -n MCLK [get_ports CLK] set_clock_uncertainty 0.5 MCLK set_clock_transition 0.25 MCLK set_clock_latency -source 4 MCLK set_clcok_latency 2 MCLK

版圖后的時鐘模型

creat_clock -p 20 -n MCLK [get_ports CLK] set_clock_uncertainty 0.1 MCLK set_clock_latency -source 4 MCLK set_propagated_clock MCLK

用set_clock_transition模擬時鐘的轉(zhuǎn)換（transition）時間。默認(rèn)的上升轉(zhuǎn)換時間為從電壓的20%上升到80%的時間，下降的轉(zhuǎn)換時間為從電壓的80%下降至20%的時間。如果不加開關(guān)選項，那么該命令給時鐘賦予相同的上升和下降轉(zhuǎn)換時間。

輸入端口的時序約束：

在Clk的時鐘上升沿，通過外部電路的寄存器FF1發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入端口A傳輸?shù)揭C合的電路，在下一個時鐘上升沿被內(nèi)部寄存器FF2接收。

如果已知輸入端口的外部電路的延遲（假設(shè)4ns），就可以很容易計算出留給綜合電路輸入端到寄存器N的最大延遲允許。

set_input_delay -max 4 -clock Clk [get_ports A]

對于時鐘周期為10ns的電路，內(nèi)部邏輯的最大延遲為10-4-Tsetup=6-Tsetup

舉例說明設(shè)置輸入端口的約束。

輸入端口的約束為：

creat_clock -period 20 [get_ports Clk] set_input_delay -max 7.4 -clock Clk [get_ports A]

如果U1的建立時間為1ns，則N邏輯允許的最大延遲為：20-7.4-1=11.6ns

用下面命令對除時鐘以外的所有輸入端口設(shè)置約束 set_input_delay 3.5 -clock Clk -max \ [remoce_from_collection[all_inputs][get_ports Clk]]

remoce_from_collection[all_inputs][get_ports Clk]表示從所有的輸入端口中除掉時鐘Clk。如果要移掉多個時鐘用

remoce_from_collection[all_inputs][get_ports "Clk1 Clk2"]

輸出端口的時序約束

Clk時鐘上升沿通過內(nèi)部電路的寄存器FF2發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)要綜合的電路電路S，到達(dá)輸出端口B，在下一個時鐘的上升沿被外部寄存器FF2接收。
已知外部電路的延遲為5.4ns，DC中用set_output_delay命令約束輸出路徑的延遲。

set_output_delay -max 5.4 -clock Clk [get_ports B]

指定了外部邏輯用了多少時間，DC將會計算還有多少時間留給內(nèi)部邏輯。

輸出端約束為：

creat_clock -period 20 [get_ports Clk] set_output_delay -max 7.0 -clock Clk [get_ports B]

如果U3的Tclk-Q=1.0ns，則s邏輯允許的最大延遲為20-7.0-1.0=12ns

進(jìn)行SOC設(shè)計時，由于電路比較大，需要對設(shè)計進(jìn)行劃分，在一個設(shè)計團(tuán)隊中，每個設(shè)計者負(fù)責(zé)一個或幾個模塊，但是并不知道每個模塊的外部輸入延遲和外部輸出的建立要求，可以通過建立時間預(yù)算，為輸入/輸出端口設(shè)置時序約束。

DC要求不應(yīng)在綜合時還未加約束的路徑，假設(shè)輸入和輸出的內(nèi)部電路僅用了時鐘周期的40%。所有模塊都按照這種假定設(shè)置對輸入/輸出進(jìn)行約束，將還有20%時鐘周期的時間作為富余量（Margin），富余量包括寄存器FF1的延遲和FF2的建立時間。
富余量 = 20%T - Tclk-q - Tset-up

#Timing_budget.tcl #A generic Time Budgeting script file #for MY_BLOCK,X_BLOCK and Y_BLOCK creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_input_delay -max 6 -clock CLK [all_inputs] remove_input_delay[get_ports CLK] set_output_delay -max 6 -clock CLK[all_outputsx]

用check_timing命令在電路中尋找未加約束的路徑。如設(shè)計中有未加約束的路徑，該命令會報告警告信息，并把這些路徑列出來。
在給設(shè)計添加約束的過程中，如果要刪除已經(jīng)加上的約束，可以用reset-design命令把它們刪除。

4.1.4設(shè)計環(huán)境的約束
為了保證電路的每一條時序路徑，特別是輸入/輸出路徑延遲約束的精確性，還應(yīng)該提供設(shè)計的環(huán)境屬性。

對于輸出端，為了精確計算輸出電路的時間，DC需要知道輸出單元所驅(qū)動的總負(fù)載電容，用set_load命令說明端口（輸入或輸出）上的外部電容負(fù)載。

對于輸入端為了精確計算輸入電路的時間，需要知道到達(dá)輸入端口的轉(zhuǎn)換時間。在默認(rèn)情況下，DC假設(shè)輸入端口上的外部信號轉(zhuǎn)換時間為0.用set_driving_cell命令在輸入端加上一個驅(qū)動單元，DC將計算輸入信號的實際轉(zhuǎn)換時間，仿佛指定某一個庫單元正在驅(qū)動它的（輸入端）。

set_driving_cell -lib_cell FD1 -pin Q [get_ports IN1]

如果不加開關(guān)選項“-pin”，DC將使用所找到的第一只引腳。

設(shè)計者可以通過負(fù)載預(yù)算（load budget）為輸入/輸出端口設(shè)置環(huán)境的約束。
產(chǎn)生負(fù)載預(yù)算可用下面的規(guī)則：
（1）為保守起見，假設(shè)輸入端口由驅(qū)動能力弱的單元驅(qū)動
（2）限制每一個輸入端口的輸入電容（負(fù)載）
（3）估算輸出端口的驅(qū)動模塊數(shù)目

下面的腳本是下圖負(fù)載預(yù)算的一個例子，原圖的規(guī)格如下：
（1）模塊輸入端口驅(qū)動的負(fù)載不大于10個“AND2”門的輸入引腳的負(fù)載
（2）模塊輸出端口最多允許連接3模塊，如果某個輸出端需要連接多余3個模塊，需要在代碼中復(fù)制該輸出端口。

腳本load_budget.tcl如下：

current_design myblock link reset_design source timing_dudget.tcl; #上節(jié)的腳本 set all_in_ex_clk[remove_from_collection\ [all_inputs][get_ports Clk]]#Assum a weak driving buffer on the inputs set_driving_cell -lib_cell invlal $all_in_ex_clk#Limit the input load set MAX_INPUT_LOAD[expr\ [load_of ssc_core_slow/and2a1/A] * 10] set_max_capacitance $MAX_INPUT_LOAD $all_in_ex_clk#MOdel the max possible load on the outputs,assuming #outputs will only the tied to 3 subsequent blocks set_load [expr $ MAX_INPUT_LOAD * 3][all_outputs]

周圍環(huán)境對電路的延遲有很大的影響。工藝庫單元通常用“nominal”電壓和溫度來描述其特性。例如：
nom_process ：1.0;
nom_temperature : 25.0;
nom_voltage : 1.8;

半導(dǎo)體廠商在其提供的工藝庫中，一般會放入不同的工作條件，可以用set_operating_conditions命令把工作條件加入到設(shè)計上。綜合時，將按工作條件作適當(dāng)?shù)谋壤{(diào)整。

report_lib libname

該命令把廠商提供的所有工作條件列出來，

設(shè)置工作條件可以用下面命令：

set_operating_condition -max "slow_125_1.62"

門單元的延遲一般用非線性延遲模型（non-linear delay model）算出。
DC遇到連線的扇出大于模型中列出的最大扇出值，它將使用外推斜率來計算連線的長度。
如果連線的扇出為7，而連線負(fù)載模型中最大扇出是5，連線的長度計算如下：
232.68 + 50.3104 * （7-5） = 333.3008
這條線的電容和電阻分別是：
333.308 * 0.00017 = 0.566pF

333.308 * 0.000271 = 0.0903kΩ

根據(jù)約束，寫出設(shè)計的約束腳本，該腳本要適用于一個較大規(guī)模ASIC的每個子模塊。

reset_design set all_in_ex_clk [remove_from_collection \ [all_inputs][get_ports Clk]]creat_clock -period 8 [get_ports Clk]set_input_delay -max 4.8 -clock Clk $all_in_ex_clkset_output_delay -max 4.8 -clock Clk [all_outputs]set_operation_condition -max slow_125_1.62 set_wire_load_model -name 40KGATES set_driving_cell -lib_cell invlal $all_in_ex_clkset MAX_LOAD [expr[load_of ssc_core_slow/buflal/A]*10] set_max_capacitance $AMX_LOAD $all_in_ex_clk set_load [expr $ MAX_LOAD * 4][all_outputs]

4.1.5 多時鐘同步設(shè)計的時序約束

設(shè)計中所有的時鐘由300Mhz的時鐘源分頻得到，因此是同步電路。CLKC在要綜合的設(shè)計中有對應(yīng)的輸入端口，其定義與單時鐘一樣，即：

creat_clock -p 20 [get_ports CLKC]

由于CLKA、CLKD和CLKE在要綜合的設(shè)計中沒有對應(yīng)的輸入端口，因此需要使用虛擬（virtual）時鐘。虛擬時鐘在設(shè)計里并不驅(qū)動觸發(fā)任何的寄存器，主要用于說明相對于時鐘的IO端口延遲。DC根據(jù)這些約束，決定設(shè)計中最嚴(yán)格的約束。

creat_clock -name VCLK -period

虛擬時鐘不驅(qū)動設(shè)計中的任何寄存器，設(shè)計中沒有其對應(yīng)的輸入端口，所以定義中沒有源端口或引腳。由于虛擬時鐘沒有對應(yīng)的時鐘端口，必須給它一個名字。虛擬時鐘是DC的內(nèi)存里已定義的時鐘物體，不驅(qū)動設(shè)計中的任何寄存器，用作為輸入/輸出端口的設(shè)置延遲。

creat_clock -period 30 -name CLKA creat_clock -period 20 [get_ports CLKC]set_input_delay 5.5 -clock CLKA -max [get_ports IN1]

要綜合電路的輸入部分N必須滿足
20-5.5-tsetup和10-5.5-tsetup這兩個等式中最嚴(yán)格的情況，即
tN < 10-5.5-tsetup

輸出電路，用同樣的方法定義虛擬時鐘和施加約束。

creat_clcok -period [expr 1.0/75*1000] -name CLKD creat_clock -period 10 -name CLKE creat_clock -period 20 [get_ports CLKC]set_output_delay -max 2.5 -clock CLKD [get_ports OUT1] set_output_delay -max 4.5 -clock CLKE -add_delay [get_ports OUT1]

第二個輸出延遲約束命令里面加了-add_delay意思是輸出端口OUT1有兩個約束。如果不加選項-add_delay，第二個輸出延遲約束命令將會把第一個命令覆蓋掉，這是輸出端口OUT1只有一個約束。

4.1.6 異步設(shè)計的時序約束

電路中，所有的時鐘來自不同的時鐘源。時鐘之間是不同頻率或者同頻不同相的關(guān)系。進(jìn)行異步設(shè)計時，設(shè)計者要注意會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致某些寄存器的輸出為不定態(tài)。

為了避免產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)問題，可以考慮在設(shè)計中使用雙時鐘、不易到亞穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器或使用異步FIFO等。對于穿越異步邊界的任何路徑，必須禁止對這些路徑做時序綜合。由于不同時鐘源的時鐘之間的相位關(guān)系是不確定的，一直在變。用set_false_path命令為跨時鐘域的路徑作約束。

current_design TOP #Make sure register-register paths meet timing creat_clock -period 10 [get_ports CLKA] creat_clock -period 10 [get_ports CLKB]#Dont optimize logic crossing clcok domains set_false_paths -from [get_ports CLKA] -to [get_ports CLKB] set_false_paths -from [get_ports CLKB] -to [get_ports CLKA]compile -scan

如果設(shè)計中的所有時鐘都是異步的，可以用下面命令為跨時鐘域路徑做約束。

set DESIGN_CLOCKS [all_clocks] foreach_in_collection T_CLK $DESIGN_CLOCKS{ set_false_path -from $T_CLK -to \ [remove_from_collection[all_clocks] $ T_CLK] }

用set_false_path命令對路徑做時序約束之后，DC做綜合時，將終止對這些路徑做時間的優(yōu)化。該命令除了可以用于約束異步電路外，還可以用于約束邏輯上不存在的路徑（logically false path），

圖中前面的MUX的A1引腳和后面的MUX的A2引腳之間的邏輯通路并不存在。前面的MUX的B1引腳和后面的MUX的B2引腳之間的邏輯通路也不存在。

在DC中，偽路徑“false path”稱為時序例外（timing exception）。邏輯偽路徑是一條物理上存在的路徑。從點A1到點A2之間有一條物理上的連接路徑，但是點A1輸入信號并不通過這條路徑傳輸?shù)紸2。

4.1.7 保持時間（Hold timing）
保持時間受下面因素影響：
（1）時鐘樹網(wǎng)絡(luò)的時間偏差
（2）工作條件
（3）寄存器的保持參數(shù)

4.2 復(fù)雜時序約束

使用時鐘的默認(rèn)行為作為電路約束，即信號的變化要在一個時鐘周期內(nèi)完成，并達(dá)到穩(wěn)定值，以滿足寄存器的建立時間和保持時間的要求。有些設(shè)計的路徑并不能或不需要在一個時鐘周期內(nèi)完成，只需要在規(guī)定的的數(shù)個時鐘周期內(nèi)完成信號的變化就可以了。作可測性設(shè)計時，為了提高測試的覆蓋率，經(jīng)常使用多路（multiplex，簡稱mux）傳輸電路控制時鐘，使電路的時鐘信號可以由輸入端直接控制。

4.2.1 多時鐘周期（Mult-Cycle）的時序約束
假設(shè)時鐘clk的周期定義為10ns，加法器的延遲約為6個時鐘周期。

creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_multicycle_path 6 -setup -to [get_pins C_reg[*]/D]

默認(rèn)的時序約是，在時鐘觸發(fā)沿，如果寄存器的數(shù)據(jù)輸入引腳D信號變化，不滿足建立時間和保持時間的要求，將產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，寄存器的輸出為不定態(tài)。

如上，加法器的最大延遲允許是60-Tsetup - Tuncertainty - Tclk-Q
默認(rèn)的保持分析時間在建立分析時間的前一個時鐘周期，在多時鐘周期的設(shè)計里，DC將在50ns分析電路有無違反保持要求，即要求加法器的最小允許延遲是：
50 + Tholdtime + Tuncertainty。

要用DC綜合出一條路徑使其建立時間滿足60ns的要求，并且同時滿足保持時間50ns的要求實際上是沒有必要的，這樣會增加電路的復(fù)雜度。

在時間60ns的時刻，引起寄存器C-reg的D引腳信號變化的是時鐘CLK在0ns時刻的觸發(fā)沿。此刻（在0ns時），時鐘CLK把寄存器A_reg和B_reg的D引腳信號采樣到他們的輸出端，再通過加法器把信號傳輸?shù)郊拇嫫鰿_reg的D引腳。由此可見，需要對保持時間作調(diào)整，應(yīng)該在0ns時做保持時間的檢查。

creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_multicycle_path -setup 6 -to [get_pins C_reg[*]/D] set_multicycle_path -hold 5 -to [get_pins C_reg[*]/D]

要求寄存器間的乘法運(yùn)算單元為兩個時鐘周期，加法運(yùn)算為默認(rèn)的一個時鐘周期。其約束為：

creat_clock -period 10 [get_ports clk] set_multicycle_path -setup 2 -from FFA/CP \ -through Multiply/Out -to FFB/Dset_multicycle_path -hold 1 -from FFA/CP \ -through Multiply/Out -to FFB/D

4.2.2 門控時鐘的約束

門控時鐘的使能信號約束為：

creat_clock -period 10 [get_ports CLK] set_dont_touch_network [get_clocks CLK] set_clock_gating_check -setup 0.5 -hold 0.5 [current_design]

DC能自動辨認(rèn)門控時鐘電路，綜合時，DC將根據(jù)上述的約束在門控時鐘電路中增加或刪除邏輯以滿足門控使能信號的建立和保持時間要求。

有兩種門控時鐘單元，一種是無鎖存器門控時鐘單元，一種是基于鎖存器門控時鐘單元。

基于鎖存器的門控電路的輸出沒有毛刺，這種電路的結(jié)構(gòu)行為表現(xiàn)的好像一個主從（master-slave）寄存器，它在時鐘的上升沿捕獲門控使能信號。

4.2.3 分頻電路和多路傳輸多路傳輸電路的時鐘約束

（1）頂層
（2）中間層
（3）核心功能
在中間層，把時鐘電路和核心功能分開到不同的模塊。
這樣的好處是：
（1）所有的時鐘產(chǎn)生電路在同一個模塊中，對時鐘邏輯可以有更好的控制并且易于分析結(jié)果
（2）簡化了對其他模塊的約束，它們的時鐘約束只需要附加在輸入端口上，加約束方便。
（3）增加了時鐘的可控制性，易于提高測試覆蓋率。

DC要用哪個時鐘，DC會自己選擇一個。可能會出現(xiàn)DC選擇不同的時鐘做建立和保持的分析。

creat_clock Ext_Clk -period 10 creat_clock Test_Clk -period 100 set_dont_touch_network [get_clocks Ext_Clk] set_dont_touch_network [get_clocks Test_Clk] #Allow DesignTime to use Ext_Clk for timing analysis set_disable_timing CLOCK_GEN/U1 -from a -to y

set_disable_timing命令用起來靈活，該命令有多個選項。用該命令使設(shè)計中用到的庫單元的時間弧無效。set_disable_timing命令使當(dāng)前設(shè)計中的通過指定單元，引腳或端口的時間無效。

DC不能推導(dǎo)出分頻時鐘的波形。時鐘信號可以通過任何的組合電路，但中止于寄存器。DC并不知道寄存器的輸出端為時鐘信號或非時鐘信號。

定義分頻時鐘的推薦方法 creat_clock -period 50 [get_ports Ext_Clk] creat_generate_clock -name Int_Clk \-source [get_pins CLOCK_GEN/U2/CP] -divide_by 2\[get_pins CLOCK_GEN/U2/Q] set_clock_latency -source 1.5 [get_clocks Int_Clk] set_clock_latency 0.5 [get_clocks Int_Clk]

4.3 面積約束
用set_max_area命令為設(shè)計作面積約束。

current_design PRGRM_CNT_TOP set_max_area 1000

面積的單位由工藝庫定義，可以是：
（1）兩輸入與非門
（2）晶體管數(shù)目
（3）平方微米

如果不設(shè)置面積的約束，DC將做最小限度的面積優(yōu)化。設(shè)置了面積的約束后，DC將在達(dá)到面積約束目標(biāo)時退出面積優(yōu)化。如果設(shè)置面積的約束為“0”，DC將為面積做優(yōu)化直到再繼續(xù)優(yōu)化也不會有大的效果時退出優(yōu)化。

設(shè)置面積目標(biāo)用命令 set_max_area設(shè)置時間目標(biāo)用命令 creat_clock set_input_delay set_output_delay creat_generated_clock設(shè)置環(huán)境屬性用命令 set_driving_cell set_load set_wire_load_model set_operating_conditions set_wire_load_mode設(shè)置設(shè)計規(guī)則用命令 set_max_capacitance報告命令有： report_clock report_port -verbose report_design清除約束用命令 reset_path reset_design

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的专用集成电路设计实用教程（学习笔记一）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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