数字电路低功耗设计二.docx

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数字电路低功耗设计二

前面学习了进行低功耗的目的个功耗的构成，今天就来分享一下功耗的分析。

由于是面向数字IC前端设计的学习，所以这里的功耗分析是基于DC中的powercompiler工具；更精确的功耗分析可以采用PT，关于PT的功耗分析可以查阅其他资料，这里不涉及使用PT的进行功耗分析。

（1）功耗分析与流程概述

　　上一个小节中讲解了功耗的构成，并且结合工艺库进行简要地介绍了功耗的计算。

但是实际上，我们根本不可能人工地计算实际的大规模集成电路的功耗，我们往往借助EDA工具帮我们分析电路的功耗。

这里我们就介绍一下EDA工具分析功耗的（普遍）流程，然后下一小节我们将介绍低功耗电路的设计和优化。

①功耗分析流程的输入输出

   功耗分析的流程（从输入输出关系看）如下所示:

上面的图中，需要四种东西:

　　·techlibrary:

这个就是包含功耗信息的工艺库了，比较精确的库里面还应该包含状态路径（SDPD）信息，代工厂提供。

　　·netlist:

设计的门级网表电路，可以通过DC综合得到。

　　·parasitic:

设计中连线等寄生参数，比如寄生电容、寄生电阻，这个一般是后端RC寄生参数工具提供，简单的功耗分析可以不需要这个文件。

　　·switchactivity:

包含设计中每个节点的开关行为情况，比如说节点的翻转率或者可以计算出节点翻转率的文件。

这个开关行为输入文件是很重要的。

这个开关行为可以有不同的形式提供，因此就有后面不同的分析功耗的方法。

（注意，不管使用什么方法进行功耗分析，功耗分析的时候，输入设计文件的都是门级网表文件）

②开关行为的一些概念

  说到开关行为，我们前面的翻转率也是一种开关行为。

此外我们还有其他关于开关行为描述的概念，这里我们通过举例说明，如下图所示:

　　·翻转（次）数:

逻辑变化的次数，上图中信号的翻转数为3.

　　·翻转率:

前面也有相关介绍，这里重提一下，翻转率是单位时间内信号（包括时钟、数据等等信号）的翻转次数。

上图中翻转率为3/6=0.5（6个时间间隔内，翻转了3次）

　　·T1,T0:

（节点）信号的逻辑值为1和0的持续时间，上图中T1为4，T0为2。

　　·静态概率（static probability，SP）:

（节点）信号逻辑值为1的概率，上图中的SP为4/6=2/3。

 ③开关行为（文件）情况表示

前面我们说到了功耗的分析需要开关行为的情况，一般就是指每个节点的翻转率情况，我们有下面方式设置翻转率:

  ·直接命令进行:

例如命令:

　　set_switching_activity  -static  0.2  -toggle_rate  20-period 1000[all_inputs]

这时，翻转率设置的节点是输入，响应的翻转率为:

Tr=20/1000=0.02GHz

  ·SAIF文件:

即switchingactivityinterchangeformat，开关行为内部交换格式文件，用于仿真器和功耗分析之间交换信息的ASCII文件（美国标准信息交换码文件）。

  ·VCD文件，即valuechangedump文件，它也是一个ASCII文件，文件中包括了一个设计中所选择变量值的变化信息，这些信息通过在仿真testbench中使用“VCD系统函数”得到。

  在Synopsys的低功耗设计流程里面，可以使用powercompiler（包含在designcompiler中）进行功耗分析。

我们可以通过命令来定义节点的翻转率的方法来分析功耗----称为无向量（vector-free）分析法;由于SAIF文件和VCD文件可以通过对电路仿真得到，它们是仿真接口格式文件，因此也可以通过VCS仿真器产生SAIF或者VCD文件的方法分析功耗。

当要分析的结果比较精确时，一般使用SAIF文件或者VCD文件（VCD文件通过相关命令转换成SAIF文件，而后使用SAIF进行功耗分析）。

（2）无向量分析法

　　前面我们说到，无向量分析法就是通过命令来定义节点的翻转率的方法来分析功耗。

我们先来逐条学习需要什么的命令，然后在后面进行举例说明无向量分析法的脚本。

　　在学习设置翻转率的命令之前，我们先来了解一下什么是设计的传播起点和黑盒子。

我们定义传播的起点为设计的输入端和黑盒子的输出端，黑盒子是指在工艺库里没有功能描述的单元（比如ROM、RAM或者一些IP核）。

例如对于下面的设计中：

　　上面的设计有三处起点，一处是整个设计的输入端，一处是黑盒子的输出端，还有一处是某个单元的输入端。

最后一处的起点不包含在我们的定义中，但是我们也把它当做起点，因为这是被标记了翻转率，这个我们后面进行讲解。

　　利用无向量分析法分析功耗时，我们不必提供设计内部节点的翻转率，而是通过设置起点的翻转率就行了。

我们有两种方法设置翻转率，一种是通过设置翻转变量，一种是通过标记的方法。

下面我们就来介绍如何通过这两种方法进行设置翻转率。

①设置翻转变量

在powercompiler中，可以设置下面的两个翻转变量进行设置翻转率：

　　power_default_toggle_rate

　　power_default_static_probability

下面就来介绍一下这两个变量（主要介绍power_default_toggle_rate）。

　　power_default_toggle_rate:

其用法我们可以在DC中进行man一下，这个变量设置设计中默认使用的翻转率。

定义方式是：

　　　　　　set  power_default_toggle_rate  翻转值

翻转值默认是0.5。

这个翻转值不是翻转率，这个变量定义的翻转率是个相对的值：

　　·如果设计定义了时钟，这个power_default_toggle_rate变量定义的翻转率就以最快的时钟为参考，比如翻转值为0.5时，设计中最快的时钟为10ns，那么翻转率Tr=0.5/10ns=0.05GHz，也就是整个设计中默认的翻转率是0.05GHz。

　　·如果设计中没有时钟，那么就会以工艺库中的时间单位作为参考，例如工艺库中的时间单位是ns，翻转值为0.5，那么翻转率Tr=0.5/1ns=0.5GHz。

　　power_default_static_probability：

这个设置的是默认的静态概率，也就是起点的逻辑值是1的概率。

至于静态概率，这里就不详细描述了。

这两个变量的默认翻转值都是0.5，翻转率是很大的，一般情况下需要减小一点，比如设置为0.01和0.02这样的。

　　一般情况下，默认的翻转率是设置在起点上的，也就是说起点的翻转率用的是power_default_toggle_rate这个变量设置的翻转率，内部节点的翻转率可以通过传播得到，如下图所示：

　　需要说明的是，传播不可以穿过没有功能描述的黑盒子，也就是不能通过传播的方式得到黑盒子的输出翻转率，因此我们在最前面就定义了，将黑盒子的输出当做起点，这样其他节点的翻转率可以通过传播得到（包括黑盒子的输入），黑盒子输出的翻转率通过默认设置的翻转率得到，我们就得到了设计中所有节点的翻转率。

②标记翻转率

　　上面的方式设置的是默认的翻转率。

当我们需要为某个节点标记某个指定的翻转率，而不是使用默认的翻转率时，我们就用到了标记频率，如下图所示：

单元A的输入端口标记了特定翻转率，比如说0.04GHz。

标记的翻转率比传播的翻转率优先级更高，被标记翻转率的节点将作为一个新的起点，这就不属于起点的定义，但还是叫它为起点的原因。

标记翻转率之后，这个单元后续的节点的翻转率将通过这个新标记的翻转率传播得到。

　　设置标记翻转率（简称设置翻转率）的命令主要有两条：

　　　　set_switching_activity和set_case_analysis，下面就来讲解一下这两条命令的意思。

　　set_switching_activity ：

设置某个节点的翻转率和静态概率，在使用无向量分析法估算功耗的时候，这个命令被广泛使用，越多的节点上被标记翻转率，估算功耗的精度就越高。

命令和选项如下所示：

set_switching_activity

               [-static_probabilitystatic_probability]

               [-toggle_ratetoggle_rate]

               [-state_conditionstate_condition]

               [-path_sourcespath_sources]

               [-rise_ratiorise_ratio]

               [-periodperiod_value|-base_clockclock]

               [-typeobject_type_list]

               [-hierarchy]

               [object_list]

               [-verbose]

下面来简单介绍一下常用的几个选项，详细的介绍可以通过manset_switching_activity获取。

　　-static_probability ：

设置静态概率。

　　-period   period_value|-base_clockclock：

设置时钟（周期），-period和-base_clock只能设置其中一个。

　　-toggle_rate：

设置翻转值，与-period或者-base_clock相关联。

翻转率Tr等于：

用-base_clock选项指定的时钟周期里面的翻转数目 或用-period选项指定的时间段里的翻转数目；当没有这个设置两个选项时，将使用工艺库里面的时间单位，即翻转率等于在每个库单位时间内的翻转数目。

下面来举例说明这个命令的用法：

例一：

　　　　create_clockCLK-period20

　　　　set_switching_activity -base_clock CLK -toggle  0.5 -static 0.015 [all_inputs]

上述命令设置了时钟周期为20ns，然后命令使用的是-base_clock的选项，所有输入端的翻转值为0.5，静态概率为0.015，于是得到翻转率Tr=0.5/20=0.025GHz

例二：

　　　　set_switching_activity-period 1000 -toggle 25 -static 0.015  [all_inputs]

上述没有创建时钟，但是使用了period选项，意思是1000个周期内翻转了25次，于是我们就可以得到所以输入的翻转率Tr=25/1000=0.025GHz

例三：

　　　　set_switching_activity-toggle 0.025 -static 0.015[all_inputs]

上述命令中，-period和-base_clock这两个选项都没有使用，这个时候就跟工艺库里面的时间单位有关了，若库中时间单位为ns,那么我们就得到翻转率Tr=0.025/1=0.025GHz

　　上面讲解了set_switching_activity，下面我们就来讲解一下set_case_analysis。

　　set_case_analysis 用来指定一个静态逻辑值，也就是设置信号为常数，不进行翻转；设计里面的一些信号需要这样子设计，例如复位信号，设置如下所示：

　　　　set_case_analysis 1 [get_portsreset]

则设置了reset的值常为1.

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　　上面我们讲解了设置翻转率的方法，下面举例说明一下如何综合使用这两种翻转率。

例如对于下面的设计：

翻转率的设置要求如下所示：

　　1.正确地定义时钟;

　　2.使用set_case_analysis命令设置常数控制信号reset;

　　3.在传输起点设置翻转率，在输入端和黑盒子输出端设置任何已知的翻转率，其他的起点将使用默认的翻转率。

　　4.让工具在设计中把翻转率传播下去

上面的没有要求具体的翻转率，因此我们可以设置我们想要的翻转率，根据上面的要求，我们编写相应的tcl脚本如下所示：

　　create_clock -p 4 [get_portsclk}

　　set_case_analysis 0 reset [get_ports reset]

　　set_power_default_toggle_rate 0.003

　　set_switching_activity-tog0.02 a

　　set_switching_activity-tog0.06 b

　　set_switching_activity-tog0.11 x

上面的脚本中，设置了周期为4（ns）的时钟，然后利用set_case_analysis命令，设置reset端口为常数；翻转值为0.003，那么对应的翻转率为0.003/4ns，这个是默认的翻转率；然后利用set_switching_activity命令指定a、b、x的翻转值，其翻转率为翻转值/4ns。

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　　前面介绍了无向量分析法进行功耗分析，在介绍一下使用SAIF文件的方法进行功耗分析之前，我们先来介绍一下综合不变物体和综合变化物体的概念，下图为一个电路的RTL设计和门级设计：

根据定义，在综合前和综合后，设计中的寄存器数目和寄存器的结构是不变的，输入/输出端口和层次边界是不变的，设计中的黑盒子是不变的。

这些不变的物体称为综合不变物体（SynthesisInvariantObjects，有时候也叫综合不变对象）。

设计中大部分的组合电路生成与设计约束有很大的关系，不同的约束产生不同的组合电路。

这些变化的物体称为综合变化的物体（SynthesisVariantObjects）。

由于SAIF文件中涉及这两个概念，这里先进行介绍。

　　介绍完这两个概念之后，下面我们就来了解一下使用SAIF进行功耗分析。

SAIF文件当做翻转率输入文件的方法有两种方式，也就是说利用SAIF进行功耗分析有两种方法——对RTL级的电路仿真后得到的SAIF文件（称为RTLbackwardSAIF） 以及 对门级网表的电路仿真后得到的文件（称为GatebackwardSAIF）。

下面逐个进行具体介绍。

　　（3）SAIF--RTLBACK分析法

　　RTL backward SAIF文件是通过对RTL代码进行仿真得到的，当设计很大的时候，门级仿真时间就会很长，这时候就可以使用这种方法进行分析。

使用这种方法进行分析功耗的速度比较快，但是进度不够门级仿真SAIF文件的高。

①RTL forward SAIF文件

　　RTL forward SAIF文件是记录RTL设计中综合不变物体的开关行为文件，可以简单地理解：

RTL forward SAIF文件简要地记录了综合不变物的翻转率。

RTL backward SAIF文件的产生需要RTL forward SAIF文件，因此我们首先需要产生RTLforward SAIF文件。

产生RTL forward SAIF文件的流程如下：

　　RTL forward SAIF文件是由powercompiler（包含在designcompiler中）产生的，根据流程，我们知道，主要设置一些变量，然后读入RTL设计（RTL.v设计），接着读出SAIF文件就可以了。

相应的脚本如下所示：

　　　　set power_preserve_rtl-hier_names true

　　　　read_verilog  "sub.vtop.v"

　　　　rtl2saif -output fwd_rtl.saif

一个示例RTL forward SAIF文件里面的部分内容如下所示：

（SAIFILE

（SAIFVERSION"2.0"）

（DIRECTION"forward"）

（DESIGN）

（DATE"WedMay1218:

31:

192004

（VENDOR"Synopsys，Inc"）

（PROGRAMNAME"rtl2saif"）

（VERSION“1.0"）

（DIVIDER/）

（INSTANCEtop

    （PORT

    （address\15\address\15\）

    （address\14\address\14\）

    （address\13\address\13\）

    （address\12\address\12\）

    （address\11\address\11\）

    （address\10\address\10\）

  ······

我们可以看到，文件里面包含设计中一系列综合不变的物体。

在后续仿真中，仿真器只监视这些物体的开关行为。

②RTL backward SAIF文件的产生

下面是产生RTLbackwardSAIF文件的流程：

从上图中，我们知道，产生RTLbackwardSAIF文件，需要在仿真器输入testbench测试平台文件、RTL.v设计、RTLforwardSAIF文件，然后使用VCS产生RTLforwardSAIF文件时，需要在testbench调用PLI监测节点的翻转率。

下面我们就来介绍一下这几个部分。

　　·首先是PLI。

使用VCS产生SAIF文件，需要用到程序设计语言接口（programming languageinterface，PLI）。

通过PLI监测节点的翻转，得到节点的翻转率。

主要需要下面的系统任务：

　　　　$set_gate_level_monitoring  （on|off|rtl_on）;

　　　　$set_toggle_region  （obj）;

　　　　$read_rtl_saif（rtl_saif_file_name,tb_pathname）;

　　　　$read_lib_saif（lib_saif_file_name）;

　　　　$toggle_start;

　　　　$toggle_stop;

　　　　$toggle_reset（）;

　　　　$toggle_report（file_name,type,unit）;

　　·RTL.v就是设计源文件了，然后RTLforwardSAIF文件在前面也讲过了，这里就从略。

　　·最后是testbench。

testbench中调用RTL设计、调用一下上述的PLI系统函数、调用RTLforwardSAIF文件等。

一个简单的示例testbench文件如下所示：

module testbench;

topinstl（a,b,c,s）;//例化顶层设计

initial begin

      $read_rtl_saif（"myrtl.saif"）

      $set_toggle_region （u1）;

      $toggle_start;

      #120 a=0;

      #STEP in_a=temp_in_a;

 ······

      $toggle_stop;

      $toggle_report（"rtl.saif",1.0e-9,"top"）;

end

endmodule

上面的测试平台中，用了系统任务程序$read_rtl_saif（"myrtl.saif"），该命令读入综合不变物体文件——RTL forward SAIF。

因此，仿真时，仿真器仅仅监视这些综合不变物体的开关行为。

向量中$set_toggle_region（u1）命令选择要监视的模块。

$toggle_start和$toggle_stop命令用于控制监视的起始和终止时间。

$toggle_report（"rtl.saif",1.0e-9,"top"）命令输出SAIF信息到指定的文件。

　　一起都准备就绪了，下面就可以使用VCS运行仿真：

　　　　vcs -R  rtl.v testbench.v

注意，这里我们进行的是RTL设计文件的仿真，仿真完成后，就可以得到rtl.saif 文件，这个文件就是RTL backwardSAIF文件。

③功耗的分析

　　对RTL代码仿真后，所得到的RTLBackwardSAIF文件包含了设计中综合不变物体的开关行为信息。

进行功耗分析时，分析工具通过其内部仿真器把综合不变物体的翻转率传播下去，从而得到其他所有节点的翻转率，进行门级电路的功耗分析。

得到了RTLbackwardSAIF文件之后，我们根据前面的功耗分析的流程（从输入输出关系看），就可以分析功耗了：

这里的开关活动文件就是RTLbackwardSAIF文件了。

然后在powercompiler中利用RTLbackwardSAIF文件进行功耗分析的流程如下所示：

一个相应的示例脚本如下所示：

　　　　set target_library my.db

　　　　set link_library "* $target_library"

　　　　read_verilog  mynetlist.v

　　　　current_designtop

　　　　link

　　　　read_saif -input rtl.saif -inst testbench/top

　　　　report_power

　　利用RTLbackwardSAIF文件分析功耗的过程就是上面这个样子了。

上面的流程和脚本适用于前版图（pre-layout）的设计，没有用到寄生参数文件。

连线的RC参数使用工艺库里的线负载模型。

如果是后版图（post-layout）的设计，要尽量使用寄生参数文件，提高功耗分析的精确度。

　　从上面我们就知道，利用RTLbackwardSAIF文件分析功耗的流程就是：

powercompiler产生RTLforwardSAIF文件——》VCS仿真产生RTL backwardSAIF文件——》powercompiler进行分析功耗。

　　（4）SAIF--GATE分析法

　　前面介绍了RTLbackwardSAIF文件分析功耗的方法和流程，下面介绍一下GatebackwardSAIF文件分析功耗的方法和流程，这个与RTLbackwardSAIF文件的很类似。

①library forward SAIF文件（简称为库SAIF文件）

　　库SAIF文件是包含SDPD（电路状态路径）信息的SAIF文件。

GatebackwardSAIF文件的生成需要库SAIF文件，该文件可以通过powercompiler生成，流程如下所示：

对应该流程的一个示例脚本如下所示：

　　　　read_db mylib.