邏輯綜合在數(shù)字IC設(shè)計中的應(yīng)用

趙慶哲，王兆勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 邏輯綜合概述

什么是邏輯綜合?邏輯綜合是指應(yīng)用相關(guān)工具軟件讀入IC設(shè)計者所設(shè)計的RTL(Register_Transition_Level)的Verilog HDL或者VHDL源代碼，以一定的半導(dǎo)體工藝庫為目標(biāo)，在時序或面積約束下，將RTL源代碼映射成為門級網(wǎng)表的過程。邏輯綜合將IC設(shè)計者的設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化成為了實際的電路連接形式，它是IC設(shè)計流程中聯(lián)系前端和后端的橋梁，后續(xù)對設(shè)計的處理都是以邏輯綜合后生成的門級網(wǎng)表為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

2 邏輯綜合的方法

2.1 邏輯綜合流程

邏輯綜合的流程主要分為四個部分:首先，建立邏輯綜合環(huán)境，包括半導(dǎo)體工藝庫的路徑設(shè)置以及對工藝庫中一些特殊元器件使用的設(shè)置;其次，讀入設(shè)計和目標(biāo)工藝庫以及約束文件;第三，對設(shè)計進(jìn)行邏輯上的優(yōu)化;第四，對優(yōu)化后的設(shè)計進(jìn)行時序分析，如果沒有達(dá)到約束目標(biāo)，那么就需要修改設(shè)計并重復(fù)上述過程。圖1表示的就是綜合流程。

圖1 邏輯綜合流程

2.2 邏輯綜合的方法

結(jié)合邏輯綜合流程圖，我們詳細(xì)闡述邏輯綜合的方法。

目標(biāo)工藝庫路徑的設(shè)置:由于邏輯綜合以一定的半導(dǎo)體工藝庫為目標(biāo)，因此，我們首先要設(shè)置工藝庫的路徑，便于綜合工具對其進(jìn)行尋找。半導(dǎo)體工藝廠商提供的.db形式的工藝庫文件可以作為目標(biāo)工藝庫文件。對于目標(biāo)工藝庫的路徑設(shè)置方式，不同的軟件工具有不同的形式，但大致上都是設(shè)置目標(biāo)工藝庫的路徑和目標(biāo)工藝庫文件。目標(biāo)工藝庫是工藝庫中最差情況的工藝庫。同時，還需要設(shè)置最好和最壞兩個極端情況的工藝庫及其路徑，之所以這樣設(shè)置，是為了在時序分析的時候能更好地分析setup timing和hold timing。最后需要設(shè)置鏈接庫。在一些設(shè)計中往往存在一些宏單元，例如存儲器單元和I/O單元，它們不屬于標(biāo)準(zhǔn)單元庫中的單元，因此，需要將其設(shè)置為鏈接庫，在邏輯綜合的時候會在需要時調(diào)用這些宏單元。注意，這些宏單元文件必須作為鏈接庫來進(jìn)行設(shè)置，如果作為目標(biāo)庫進(jìn)行設(shè)置，則在邏輯綜合過程中軟件會將宏單元作為目標(biāo)庫來使用。

讀入設(shè)計、工藝庫和約束:這是邏輯綜合讀取RTL設(shè)計和工藝庫以及約束的過程。對于RTL設(shè)計，綜合工具可以接受VerilogHDL和VHDL形式的文件，但是RTL設(shè)計應(yīng)該是可綜合的結(jié)構(gòu)，否則在讀取過程中會產(chǎn)生一些警告或者錯誤信息，導(dǎo)致綜合結(jié)果出現(xiàn)偏差。對于工藝庫，在其路徑設(shè)置完成后，邏輯綜合工具會自動將其讀入到軟件的內(nèi)存之中以待使用。約束文件是邏輯綜合過程中重要的文件，它是IC設(shè)計者期待的IC所能達(dá)到的時序或面積上的目標(biāo)。是整個邏輯綜合過程中邏輯優(yōu)化的指導(dǎo)方向?；镜募s束包括對時鐘的約束和對輸入輸出端口的約束。對時鐘的約束主要是設(shè)置時鐘名稱、端口以及周期等信息;對于輸入端口的設(shè)置，主要是輸入信號相對于時鐘的延遲時間;而對于輸出端口的設(shè)置則是對下游電路的延遲時間進(jìn)行設(shè)置。圖2就是時鐘以及輸入輸出延遲示意圖。

圖2 輸入輸出延遲示意圖

讀入邏輯綜合所需的文件后，綜合工具便開始了邏輯優(yōu)化過程，這個過程基于上述的約束目標(biāo)。在邏輯優(yōu)化過程中，對設(shè)計進(jìn)行處理有兩種方式，一種是保留設(shè)計層次，另一種是將設(shè)計全部展平，也就是打破設(shè)計的全部層次。由于邏輯綜合一般不進(jìn)行跨越模塊邊界優(yōu)化，因此對于時序要求很嚴(yán)格的設(shè)計來說，打破層次的綜合方式比較適合，而對于時序要求不嚴(yán)格的設(shè)計而言，則兩者都在可選之列。

時序和面積分析:邏輯綜合工具內(nèi)嵌有靜態(tài)時序分析工具，因此在邏輯綜合完成后，可以對設(shè)計進(jìn)行時序和面積分析。分析的目標(biāo)有兩個，即setup timing和hold timing分析。前者是對設(shè)計中寄存器的數(shù)據(jù)信號先于時鐘信號穩(wěn)定的時間進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)違背，則說明寄存器不能正確地采集到輸入信號。而后者是寄存器的數(shù)據(jù)信號晚于時鐘信號穩(wěn)定的時間，如果出現(xiàn)違背，則說明上下兩級寄存器之間的數(shù)據(jù)變化太快以致后級寄存器無法正確采集到前級寄存器的數(shù)據(jù)。時序分析清晰地表示出了路徑的時序狀況，下面就是某設(shè)計的時序分析報告。

從這個報告中我們可以看到時序路徑的起點和終點以及分析的類型、所屬的時鐘域以及路徑上的時序變化情況。

2.3 生成文件

邏輯綜合完成后，生成的文件有門級網(wǎng)表文件和.sdf、.sdc文件。門級網(wǎng)表是映射到目標(biāo)工藝庫的設(shè)計，是一種門級連接。它是后續(xù)流程的基礎(chǔ)。.sdc文件是邏輯綜合工具生成的關(guān)于設(shè)計的約束文件，它是邏輯綜合所用的約束文件的生成物，提供給后端P＆R用作時序約束。.sdf文件是設(shè)計中各個單元的延遲文件，它是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單元庫中單元的時序數(shù)據(jù)計算而來的。單元在不同的load和transition time條件下的延遲是不同的，在標(biāo)準(zhǔn)單元庫中，存在一個二維的查找表，表的縱向和橫向分別是transition time和load，以下是某標(biāo)準(zhǔn)單元庫中的時序二維表。

邏輯綜合過程中，軟件根據(jù)單元實際的transition和load進(jìn)行查表，如果超出了表的范圍，那么計算的延遲值便不是一個準(zhǔn)確值。如果在表內(nèi)，為了準(zhǔn)確計算單元延遲，找出與實際延遲值相鄰的四點，根據(jù)四點差值算法，計算單元的延遲并寫入.SDF文件之中。

3 結(jié) 束 語

以上就是邏輯綜合的基本過程，完成上述各步驟，就完成了一個設(shè)計的邏輯綜合過程。邏輯綜合是一種自動化的設(shè)計方式，主要依據(jù)一定的算法對設(shè)計進(jìn)行處理，因此，缺乏靈活性。因此要求設(shè)計者對電路要加深理解，對硬件描述語言與邏輯綜合的關(guān)系要清楚地把握，只有這樣，邏輯綜合工具才能綜合出理想的電路結(jié)構(gòu)。同時，邏輯綜合人員也要對標(biāo)準(zhǔn)單元庫有所了解，對內(nèi)部元器件的特性要熟悉，這樣，才能給出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計約束，從而更好地完成邏輯綜合工作。

［1］Himanshu Bhatnagar，著.高級 ASIC 芯片綜合［M］.張文俊，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］Weste，Harris，著.CMOS超大規(guī)模集成電路設(shè)計［M］.汪東，李振濤，李寶鋒，等譯.北京:中國電力出版社，2005.