（微电子学与固体电子学专业论文）数模混合电路波形自动比较工具的开发研究.pdf

摘要 随着芯片集成度的不断提高和市场需求的增加，越来越多的系统芯片将模 拟电路和数字电路集成在单个芯片巾。这给芯片的功能验证提出了更高的要 求，使验证成本迅速提高，在验证上所耗费的时间甚至会达到芯片开发周期的 7 0 。仿真波形的比较是验证工作中的一个重要部分，通常是通过人工完成， 这样效率低下而且容易出错。目前对于数模混合电路验证的研究主要集中在仿 真和建模方法上，对如何提高仿真波形比较的效率却少有涉及。 本文针对数模混合电路仿真波形的特点，把波形自动比较方法应用到数模 混合电路的验证过程中，能精确比较电路的各轮仿真结果，同刚还能判断不同 的工艺参数、供电电_ 匠、温度( p v t ) 参数组合下仿真波形形状是否致，提 高了验证效率。我们提出一种基于容差窗方法的波形精确比较方法，实现考虑 时间容限和信号容限的波形比较，提高了波形比较的准确性；同时，我们提出 以开关事件为基础建立的状态序列数据结构，有效地降低存储空间：并在此数 据结构的基础上，我们设计出一种新的仿真波形时间偏移比较方法，能自动划 分并检验电路的状态，实现波形的时间偏移比较；此外，我们还提山一种基于 w i e n e r 滤波器时域变化的波形模式比较方法，能在保留输入信号形状特征的同 时消除不同的p v t 参数带来的影响，进行良好的模式匹配比较。 本文提出的方法已成功运用到我们开发的波形自动比较软件系统中，并己 在【n t e l 技术开发( 上海) 公司内部椎广使用。实际应用证明，波形自动比较 方法对于提高集成电路验迁效率有很丈帮助。 关键词：数模混合电路，波形比较，状态划分w i e n e r 滤波 a b s t r a c t m i x e d - s i g n a ld e s i g nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r , w h i c hi n c r e a s e st h e d e s i g nc o m p l e x i t ya n dv a h d a t i o nw o r k a sv a l i d a t i o nu s u a l l yt a k e s7 0 o fw h o l e d e s i g ne f f o r t s ，i n c r e a s i n gm i x e d - s i g n a ld e s i g ni n e v l t a b l yi n c r e a s e st h ev a l i d a t i o n e f f o r t s i na d d i t i o n , m o r ea n dm o r em a n u a ls i m u l a t i o nc h e c ke f f o r t si n e r e a s e t h e p r o b a b d m e st om a k em i s t a k e e x i s t i n gr e s e a r c h e so nm i x e d - s i g n a ld e s i g nv a h d a t i o n a r em o r ef o c u so ns a n u l a t i o nm e t h o da n dm o d e l i n gm e t h o d ，w h i l el e s sw o r kh a sb e e n d o n et or e d u c et h ev a l i d a t i o ne f f o r t so nm a n u a lc h e c k i n go fm i x e d s i g n a l a n a l o g s i m u l a t i o nw a v e f o m l s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fu n x e d s i g n a lc i r c u i ts i m u l a t i o n ，aw a v e f o r i l l c o m p a r i s o nm e t h o di sp r e s e n t e df o rm i x e d s i g n a ld e s i g nv a l i d a t i o na u t o m a t i o n s a m e s i m u l a t i o nw i t hd a f f e r e n tr e g r e s s i o nr o u n d sa n das e to fp e r f o r m a n c es i m u l a t m nw i t h d i f f e r e n tp r o c e s sc o n l e r s ，s u p p l yv o l t a g e sa n dt e m p e r a t u r e s ( p v t ) c a l lb ec o m p a r e d a u t o m a t i c a l l yt os p e e du pa n a l o gs i m u l a t i o nc h e c k t h et i m et o l e r a n c ew i n d o w a l g o r i t h mw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft a m et o l e r a n c ea n ds i g n a lt o l e r a n c ei sp r e s e m e dt o e f f o c t i v e l yt o l e r a n ta n yf a k e de r r o r si n t r o d u c e db yd i r e c t l yc o m p a r i s o n a n dad a t a s t r u c t u r ef o rr e p r e s e n t i n gt h es t a t es e q u e n c ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h es w i t c h i n g e v e n t s ，w i n lw h i c hc i r c u i ts t a t e sc a nb ea u t o m a t i c a l l yd e t e c t e d ，a n dt h et i m es h i f t c o m p a r i s o na l g o n t h mc a nh a n d l et h et a m e s h i f td i f f e r e n c ep r o p e r l yi nw a v e f o r m c o m p a r i s o n b e s i d e s ，ap a t t e mc o m p a r i s o na l g o r i t h mb a s e do nw i e n e rf i l t e ri s i s a p p l i e dt ot e l li f a n a l o gf u n c t i o nl ss t i l lc o r r e c tu n d e rd i f f e r e n tp v t s t h em e t h o di st e s t e di ni n t e l f l a s hm e m o r yd e s i g na n dd e m o n s t r a t e dg o o d p r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t y k e y w 。r d s ：m i x e d - s i 鲫l a lc i r c u l t ，w a v e f o 姗c 。m p a n s 。n ，s c a t ed i v i s i 。n ， w i e n e rf i l t e r 第一章引言 第一章引言 随着芯片集成度的不断提高和市场需求的增加，越来越多的系统芯片将模 拟电路和数字电路集成在单个芯片中。这给芯片设计中的功能验证提出了更高 的要求，并使验证成本迅速提高，同时对于验证软件的要求也越来越高。如何 提高电路验证的效率和准确性，是目前计算机辅助设计软件急待解决的问题。 在电路验证的过程中，仿真结果的比较是一个无法回避的问题。目前，设计工 程师对仿真结果的检查往往依赖人眼手工完成。本文的目的就在于研究基于数 模混合电路波形自动比较方法，并介绍我们开发的基于这种方法的相关软件。 这一章将介绍集成电路发展现状及其给集成电路辅助设计带来的挑战，并简单 介绍设计验证中的所遇到困难，最后介绍本文的主要创新工作，以及整个论文 的组织结构。 1 1 集成电路的发展现状 1 9 4 7 年晶体管的发明结束了电子管时代，开创了人类的硅文明时代；1 9 5 9 平面集成电路技术的发明解决了复杂电路的制造问题，使人类真正开始走进半 导体时代。自从1 9 6 1 年集成电路开始实现量产至今，集成电路一直按摩尔 ( m o o r e ) 定律高速发展，先后经历y d , 规模、中规模、大规模、超大规模等 历程，现在已发展到微系统芯片( s y s t e mo nac h i p ，简称s o c ) 阶段。目前， 集成电路己成为信息产业的基础载体，以此为核一1 5 , 的电子信息产业已经成为全 世界产业结构中最为重要和发展最快的组成部分之- - i t r s 0 4 。 自2 0 0 0 年以来，集成电路的发展主要表现在以下六个方面： ( 1 )器件尺寸的持续减小。集成电路的最小特征尺寸在经历了o 3 5l i m ，o 1 81 t1 1 1 ，o 1 3um 等一系列变化后，目前已达到9 0 n m 水平。 据国际半导体技术发展蓝图( i t r s ) 预计，到2 0 0 7 年芯片的最小特征 尺寸将减d , n6 5 r i m 。 第一章引言 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 规模和复杂性日益俱增。依照摩尔定理，芯片集成度，即芯片上可 容纳的晶体管数目仍以1 8 个月翻一番的速度高速增长，目前单片 芯片上集成的晶体管数目已经发展到数亿量级。 系统工作频率不断提高。集成电路工作频率基本上也是按指数速度 提高的，例如微处理器的时钟频率，从二十年前的几m h z 已经提 高到目前的3 8g h z ( i n t e lp e n t i u m45 7 0 j ) 。 功能的多样化和复杂化。集成电路已经由单一的数字系统逐渐向数 模混合系统以及混合信号系统转化，s o c 的出现，使得包含模拟电 路、微处理器、数字信号处理器、存储器和微机械等的完整系统可 以被集成到一个芯片上，从而降低成本，提高系统的性能和可靠 性。 功耗、性能和价格矛盾的不断加剧。随着芯片尺寸的逐渐缩小，设 计出同时满足低功耗、高性能和低价格的集成电路产品变得越来越 困难。如何降低集成电路功耗方面的研究已成为目前设计和制造技 术发展的重点之一。 测试成本和可制造性设计问题的日益突出。芯片测试成本在芯片开 发总成本中占有很大的比重，随着芯片规模的日益扩大，如何降低 测试成本已成为集成电路开发中的一大挑战。另一方面，随着芯片 最小特征尺寸的不断减小，芯片的可制造性设计问题开始得到越来 越多的关注。 1 2 设计验证的挑战 集成电路技术的全面迅速发展，给设计验证带来的极大的挑战。根据国际 半导体技术路线图组织( i t r s ，i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 在2 0 0 4 年对半导体产业的各项技术作预测更新时，对于v l s i 的设 计部分作的报告中就把设计验证作为影响设计的重要部分加以探讨 i t r s d 。而 来自i n t e l 的报告称，随着电路规模的不断增大，电路设计中的错误数目是呈指 2 第一章引言 数增长的，而且超过5 0 的错误是在电路的具体实现时候引入的。在设计周期 中，有超过7 0 的时间是花费在设计的验证上。 目前，对于数模混合电路验证的研究主要集中在仿真和建模方法上，对仿 真结果的比较却少有涉及 g i e l e n 0 5 】【g i e l e n 0 0 】 p a n 0 3 】。在数字电路的验证中， 可以采用t e s t b e n c h 的方法来比较准确快速地实现电路验证。但是，在数模混合 电路的验证中，要比较连续的模拟信号往往需要对仿真波形进行分析。无论是 精确比较两个仿真结果是否相同，或是在考虑电路数字控制模块延迟的情况下 比较模拟信号都是一件相当繁复的工作。更有甚者，在最坏情况分析中，需要 比较相当数量不同的工艺条件以及环境变量( 包括供电电压和温度) ( p r o c e s s ， v o l t a g e & t e m p e r a t u r e ，简称p v t ) 组合下的电路功能是否都满足设计规范的要 求，这同样需要分析不同的p v t 参数下的仿真波形是否具有相同的形状，从而 判断电路在不同的p v t 参数下具有相同的功能。但是，由于p v t 参数的变 化，仿真波形之间会出现跃变时间，波形幅值的变化，甚至还伴随噪声的影 响。这些都给波形比较工作带来很多困难。 目前的e d a 工具在波形比较方面的功能都很简单，例如m o d e l s i m 只能进 行数字信号波形的比较，并不能比较数模混合信号波形，更不能处理电路状态 变化的情况 m o d e l 0 6 】；h s p i c e 的m e a s u l 命令只能测量波形的具体参数 【h s p l c e 0 4 】，不能自动比较波形；s p i c e e x p l o r e r s x 和w a v e f o r m e rp r o w a v e f 】 都是出色的波形显示软件，但是都不能完成波形自动比较的工作。它们也都不 能在考虑数字控制电路变化的情况下比较模拟信号波形，更不能比较不同的 p v t 参数下信号波形的形状是否相同。所以，在实际的工程应用中，数模混合 电路仿真波形的比较往往是由工程师手工完成，这样不仅耗费大量的时间和精 力，而且容易出错。因此，工业界迫切地需要一种波形自动比较工具，以解决 在实际的电路验证中出现的诸多波形比较难题。 3 第一章引言 1 3 本文的主要工作 本文根据数模混合信号仿真波形的特点，着重解决数模混合电路仿真波形 的自动比较问题，开发出相应的软件系统w c o m p ，并已在i n t e l 技术开发 ( 上海) 公司内部推广使用。 首先，我们在考虑时间容差和信号容差的前提下实现数模混合信号的波形 比较。同时，我们引入一个新型的数据结构，能自动检测设计工程师人为引入 时钟延时并分析电路状态，并在此基础上实现时间偏移比较算法。 另一方面，我们采用基于w i e n e r 滤波器的波形比较方法，对不同的p v t 参数组合下的仿真结果进行模式比较，通过判断波形是否具有相同的形状，从 而判断电路功能是否都满足设计规范要求。 本文工作的主要创新点如下： ( 1 ) 把波形自动比较方法应用于数模混合电路设计的验证工作中去，大大 提高了电路验证工作的效率。 ( 2 ) 能自动在一定的时间容差和信号容差之内实现波形的自动比较，提高 了波形比较的准确率。 ( 3 ) 采用新型的数据结构和算法，能根据有效地仿真波形自动划分并检验 电路的状态，实现数模混合电路的仿真结果的时间偏移比较： ( 4 ) 采用w i e n e r 滤波器技术，通过输入信号的时域变化，在保留输入信 号形状特征的同时消除不同的p v t 参数带来的影响，为下一步波形 比较提供了良好的基础。 1 4 论文组织结构 在接下来的几章中，本文将详细介绍我对波形自动比较工具的开发和研 究。具体组织如下，第二章中，我们将介绍在数模混合电路验证的仿真波形比 较过程中碰到的具体问题；第三章中介绍仿真波形的精确比较方法，其中包括 直接的点对点之间的比较以及考虑时间偏移的比较；第四章介绍针对不同的 4 第一章引言 p v t 参数组合下的仿真波形的模式比较方法及其具体实现；第五章介绍我们开 发的波形自动比较软件系统w c o m p ，包括系统模块划分以及流程图：第六章 中，我们给出全文的总结并针对未来的工作进行了展望；最后的附录包括波形 自动比较软件w c o m p 输入参数的具体设定。 5 ， ， 第二章数模屁合电路验证中的破形比较问题 第二章数模混合电路验证中的波形比较问题 在实际的电路设计中，尤其是在数模混合电路的验证中，需要分析比较仿 真结果，而要比较连续的模拟信号，对仿真波形的分析是必不可少的工作。在 本章中，我们将详细介绍在数模混合电路仿真波形比较中需要解决的问题以及 碰到的困难。按照不同的条件下对仿真波形比较的不同要求，具体可以分为两 个部分，波形的精确比较和波形的模式比较。 2 1 波形的精确比较 在电路的设计过程中，设计工程师需要多次修改电路参数，并通过与之前 仿真波形的比较来验证修改后的仿真结果。在这里，我们把已验证并确认的波 形称为“标准波形”，把新一轮的仿真中得到的待验证的波形称为“待测波 形”。工程师需要了解，待测波形是否与标准波形一致，或者不同之处在哪 里，具体相差多少，这就是波形的精确比较。在数模混合电路的仿真中，波形 之间会出现一点的时间延时，根据时间延时是否是组合电路的门延时或是由数 字控制电路引入的时钟延时，波形的精确比较具体又可以分为点对点比较和时 间偏移比较两个阶段。 2 1 1 点对点比较 波形的点对点比较，就是直接比较两组波形，找出两组波形之间的不同之 处。在实际的情况下，由于电路门延时以及信号上升下降速率的影响，波形之 间会有一定的时间偏差。如果仅仅比较在同一时间下的信号值是否相同，或是 否在信号误差之内，将由于时间偏差虚报出很多错误信息。尤其是在信号跃变 的地方，很小的时间偏差都会导致同一时间点上信号值相差很大。所以，在波 形比较的时候我们不仅要考虑信号容差，还必须把时间容差计算在内。同时， 由于输入波形是h s p i c e 或e l d o 等电路仿真软件的仿真结果，可能会出现时间步 6 第二章数摸混合电路验证中的波形比较问题 长不同的情况，这就使得两组波形对应的时间点很难对齐。如果采用线性插值 的方法强行对齐两组波形的时间点，将大大地影响时间效率和空间效卒。 2 1 2 时间偏移比较 在数模混合信号电路中，它的模拟模块几乎都是由数字使能信号驱动 p a n 0 3 k u n 0 0 。在大多数情况下，这些使能信号是由m c u 控制。这些信号我 们称为标识信号( i n d e xs i g n a l ) 。标识信号的组合能把整个波形划分成若干个 时间域。不同的时间域，对应不同的电路状态。不同的仿真中，标识信号可能 会有不同的时钟延时。例如m c u 编程时插入“n o o p ”指令使输出延迟一个或 多个时钟周期，其他待比较的模拟信号会发生相应延迟但保持波形形状不变。 图2 1 截取自i n t e l 技术开发( 上海) 公司f l a s h 存储器电路的全芯片仿真波 形，这是一个实际的典型的数模混合电路。其中实线表示标准波形，虚线表示 待测波形。如图中箭头所示，标识信号e n _ a , e n b 和e n _ c 的偏移引起了模 拟信号s i gd 和s i ge 的相应偏移。如果不考虑时间偏移而直接进行点对点波 形比较，将会出现大量的虚警误报。所以，在波形比较之前，需要检测电路状 态偏移时间，再考虑偏移时间的情况下比较波形。这就是波形的时间偏移比 较。 一：船需? i l l：l ： l i ： ： ；l 目i k 厂 ；：f ” ； 、l ：广jll 7 n 、厂 ： 图2 1 实际中时间偏移仿真波形 7 第二章数模偶合电路验证中的破形比较问题 标识信号都是典型的数字信号，它们变化迅速；最大值( v c c ) 和最小值 ( v s s ) 固定，分别代表l 、0 。标识信号值的组合( 例如， 1 0 0 1 1 1 ) ，即电路的状态编码，它划分出了一系列的时间域，每个时间域对应 电路的某个状态。标识信号的变化代表了电路状态的变化，电路状态的变化会 引起其他信号变化。如图2 2 所示，标识信号b 存在偏移t _ s h 驴，导致状态编 码产生相应的偏移，从而导致待比较信号d 也发生相应的偏移。因此，我们可 以通过研究标识信号来研究电路的状态，从而实现时间偏移比较方法。 ts h l f t 标准波形广三三三三 卜：兰兰：三； 厂 n l 厂1 一 i i 图2 2 状态编码和时域图 在实际的电路中，标识信号还具有以下一些特点： 数目较大，在某些设计中，最大可以达到6 0 0 个甚至更多。这样，由 这些信号值的组合决定的电路的状态最多可能会有2 伽个，而且每个状 8 - 第二章数模混合电路验证中的波形比较问题 态的编码是6 0 0 b y t e ( 布尔型数组) 。这给状态的存储、搜索和比较带 来很多困难。 由于实际电路仿真中门延时带来的影响，同一状态边沿上的标识信号 的跳变时间可能会有所偏差。这样就会生成相当数目的小时间域，每 个小时间域仍然可视作一个状态。这大大增加了状态存储搜索的负 担。为此，我们认为在某个容限之内的不同的标识信号跳变可以归并 到一起，视作同一状态的边沿。 在时间偏移验证方法中，会通过改变标识信号的跳变时间来改变电路 状态分布，如图2 2 中的r 曲矿就是由于标识信号跳变时间的改变带 来的状态分布的偏移。但是如果标识信号跳变时间变化过大可能会引 入不同的状态，这会严重影响波形比较的结果，所以需要自动检测出 不同的状态。但是，如果直接采用状态编码结构，检测不同状态会非 常困难，需要使用最长公共子序列算法( l c s ) 【a h 0 7 6 】 i v l y e r s 8 6 。 由以上几点可以看出，如果仅仅是通过标识信号的组合作为状态编码来记 录状态是非常不可取的。如何高效迅速的解决时间域划分比较是时间偏移比较 算法急待解决的问题。 2 2 模式比较 随着集成电路技术的不断发展，工艺条件以及环境变量( 包括供电电压和 温度) ( p r o c e s s ，v o l t a g e & t e m p e r a t u r e ，简称p v t ) 的不确定因素造成电路性 能变化，使得成品率越来越无法保证。为了提高成品率，目前主要采用的分析 方法包括，最坏情况分析，蒙特卡罗分析以及响应表面模型 y o u n 9 9 1 其中， 最坏情况分析由于简单实用等特点，应用最为广泛。 最坏情况分析方法是一种非概率统计方法，用来分析在电路组成部分参数 最坏组合情况下的电路性能参数偏差，找出在参数给定限制变化情况下电路或 系统的最坏可能输出。显而易见，如果在最坏情况下电路的性能仍然满足设计 规范的要求，那么设计可以被认为合格。 9 第二章数模屁合电路验证中的波形比较问题 与一般的电路仿真不同，最坏情况分析中需要考虑相当数量的p v t 参数的 组合，仿真结果数量非常庞大。不同的p v t 参数组合下，电路的仿真结果一般 会在保持整体形状不变的同时出现跃变时间、幅值的变化，特别是数模屁合电 路，它的仿真结果还会受到毛刺的影响。这些因素使得我们很难直接对两组波 形进行比较。 图2 3 截取自i n t e l 技术开发( 上海) 公司f l a s h 存储器电路的功能单元仿 真结果，两个图分别表示两个信号在不同的p v t 参数组合下的波形。对于数模 混合电路而言，最坏情况分析中p v t 参数组合的变化会对电路中晶体管的阈值 电压等物理参数带来影响；体现在仿真波形上，就是信号的跃变时间、幅值都 会发生相应的变化。总的说来，如果同一电路在不同的p v t 参数组合下性能都 满足设计规范要求，那么仿真波形应该都具有相同的形状，如图2 3 ( a ) 。反 之，如果出现较大差异，则可以判断出此时电路功能己不符合要求，如图2 3 ( b ) ，明显可以看出由于毛刺的影响，波形a 与其他两个波形完全不同。所 以，进行最坏情况分析时，我们只要先检查某个典型的p v t 参数组合下( 例如 典型工艺过程，额定电压，室温) ，仿真波形结果是否满足设计规范的要求， 如果满足，则以此作为标准波形；然后再把其他p v t 参数组合下的波形结果与 之相比较。如果形状一致，可以判断该p v t 参数组合下电路满足设计规范要 求，反之报出相应错误。 k 一 目 ，。 辞 i ，* l ，女 l 7 。 i l 7 p ( a ) 1 0 第二章数模馄合电路验证中的破形比较问题 j 气斗波形a ， ! f 一 1l ， ， g l i ： l ( b ) 图2 3 不同的p v t 参数组合下的波形实例 可见，波形模式比较就是在考虑p v t 参数组合变化带来的跃变时间和幅度 变化的影响下比较波形的形状特征；同时，还必须考虑到噪声干扰、相位偏移 带来的影响，需要将一定的容限范围考虑在内，避免虚警情况发生。 2 3 小结 本章归纳了两个数模混合电路波形比较的类型：波形的精确比较以及波形 的模式比较，并初步分析其中所需要进行的工作以及将会碰到的困难。 第三章波形的精确比较 第三章波形的精确比较 在第二章中初步介绍了波形精确比较需要解决的问题以及其中的难点，本 章将详细介绍波形精确比较中的点对点比较和时间偏移比较算法，并给出实验 结果。 3 1 点对点比较 在2 1 1 中我们谈到，由于电路门延时以及信号上升下降速率的影响，波 形之间会有一定的时间偏差，尤其是在波形跃变边沿部分，时间偏差将会明显 影响波形比较结果。但是，传统的波形比较方法并没有把时间容差考虑在内 【y u n 9 1 。为了在波形比较中同时考虑时间容差和信号容差，同时还要避免采用 线性插值带来的计算量过大的后果，我们采用了一种“容差窗”的方法。下面 先分析只考虑信号容差的波形比较方法，再对“容差窗”方法做详细的分析和 介绍。 3 1 1 只考虑信号容差的比较方法 如图3 1 所示，实线表示标准波形，虚线表示待测波形，s t o l 表示信号容 差( s i g n a lt o l e r a n c e ) 。对于每个时间采样点上的信号值，我们逐一计算信号误差 a s 9 爿一p l 。由于波形文件是不同的仿真结果，时间不同步是很常见的情 况。对于时间不同步的采样点还需计算线性插值， 血爿坠等掣一i 。 如果某时刻的信号差小于信号容限( 血 j t 0 1 ) ，那么判定两个波 形在该时刻不同。 1 2 第三章波形的精确比较 信号 4 3 2 l o 图3 1只考虑信号误差的比较方法 这种方法直观易懂，但是并不能很好的反映波形在时域内的误差信息图 3 2 给出了一个数字脉冲波形的典型例子待测波形与标准波形相比，只是在时 间上和信号值上有一定平移，假设这变化是在容差范围内( a s 。 j t o ) 。但 是，可以看出，在波形的上升下降延，信号误差a s ：与波形在恒定值时的误差 a s ，相差很大，仍然会出现血： t o li ( b ) f a l s e ，、 ，、 标准波形- 1 曰- _ 卜_ 弋t i 、 i、 、 、 、 、 待测波形j 砼卜蚌 ，、 ( c ) f a l s e 图3 6 g r o u p _ s t a t e o i 菊数实例 c o i n p a 一s h i 叼主要实现考虑时间偏移情况下的波形比较。它的主要思想是 在考虑时间偏移的情况下调用0 节中的点对点的比较方法。如图3 7 所示，点 划线表示的待测波形，通过减去偏移时间ts h i f t 消除了时间偏移带来的影响。 图3 7c o m p a r e s h i f t o i 函数的具体实现 1 9 第三章破形的精确比较 图3 8 是程序实现的一个例子。标识信号中虚线的部分表示在待测波形中 对信号做出的调整，状态编码中灰色的部分表示由于标识信号的调整引入的不 同的状态，状态序列中点划线框表示g r o u p _ s t a t e o 比较的两组开关事件。 波形厂三兰三三!三三 状态l 袭墨二0 0 0 i 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 i 1 1 0 10 1 0 二 编码l 囊是二j 垂二 二亘 二匡童二二亟 二二i ! 重要耍习二二互 状态 序列 标识信号 的开关事件t r u ef a l s ef a l s et r u e 口标识信号啪开关事件f a l s e 标识信号c 的开关事件 图3 8程序实现实例 可以看出，如果采用状态序列数据结构和g r o u p _ s t a t e o 算法，可以在线性时 间范围内实现电路状态的划分和比较。这较在信号组合结构下调用l c s 算法实 现状态比较的d ( 疗l o g 行) a h 0 7 6 提高了很多。 在实际的应用中，某个标识信号的调整会导致其他某些标识信号也发生相 同的变化。体现在状态序列上就是有一系列连续的时间域边沿的时移都相等。 我们可以把具有相同的偏移时间的时间域合并到一起，形成一个新的时间域。 这样不仅在时间域的划分上更加合理，而且能减少调用e o m p a r e _ s h i f l ( ) i i 自数的次 数，提高程序效率。 2 0 第三章波形的精确比较 3 2 3 应用实例 本章提到的波形精确比较方法已成功运用于我们开发的数模混合波形自动 比较软件系统w c o m p 中。表3 3 和表3 4 显示的是软件应用于i n t e l 技术开发 ( 上海) 公司f l a s h 存储器产品开发中所得到的结果。表3 3 所示为同一f l a s h 产品设计中不同版本的全芯片仿真波形的比较结果。可以看出，软件成功地完 成波形比较，并在给定的容限范围内得到正确的结果，几乎所有的比较都是在 5 分钟之内完成的，能很好地满足用户需求。表3 4 显示了波形比较中考虑时间 容限和偏移时间的必要性。实验结果显示，如果波形比较中不考虑时间容限或 偏移时间，将会有很多误报信息。 表3 3 实际仿真波形比较的结果 仿真波 波形文件大小待比较标识 合并 ( 标准待测)信号数信号 后时 开关比较检测实际 形实例间域 事件时间 错误 错误 m b y t e 目数目数目s数目数目 数目 实例1 4 4 4 33 3 72 8 121 191 21 2 实例2 1 6 4 1 6 41 3 】o7 921 1 53 3 33 实例3 1 9 4 1 9 41 6 9 97 921 1 43 5 22 实例4 2 0 1 2 0 7 1 3 6 3 7 841 3 9 1 2 01 51 5 实例5 3 6 8 3 6 81 3 1 07 921 9 53 7o 0 实例6 4 4 8 4 3 93 3 42 8 l24 0 42 2 0o 0 实例7 1 6 5 5 11 6 9 7 3 7 4 22 13 0 65 2 0 88 表3 4 不同方法的有效性比较 不同方法检测出的错误数目 仿真波形 实例 不考虑时 不考虑偏移时本文提出的时移波 人工检测 间容限间 形比较方法 t o l t e s t l1 78 0 01 7 1 7 t o l t e s t 23 01 1 5 33 03 0 t o l t e s t 366 3 533 2 1 - 第三章波形的精确比较 t o l t e s t 41 6111 t o l t e s t 55 5666 t o l t e s t 62 2oo0 3 3 小结 为了解决波形精确比较中出现的问题，我们采用容限窗方法实现在一定的 时间容限和信号容限范围内的波形自动比较，能够有效地减少误报信息；同 时，我们提出以开关事件为参数基础建立状态序列数据结构，能有效地降低存 储空间，并基于此数据结构我们提出一种新的仿真波形自动比较方法，该方法 能根据仿真波形自动划分并检验电路的状态，并实现波形的时间偏移比较。 第四章波形的模式比较 第四章波形的模式比较 在不同的p v t 参数组合下，电路中晶体管的阈值电压等物理参数都会发生 相应的变化；体现在仿真波形上，就是信号的跃交时间、幅值都会发生相应的 变化。但是，总的说来，如果同一电路在不同的p v t 参数组合下性能都满足设 计规范要求，那么仿真波形应该都具有相同的形状。为了比较不同的p v t 参数 组合下仿真波形，我们提出一种基于w i e n e r 滤波器的波形比较方法。该方法能 在考虑到噪声干扰、相位偏移带来的影响的同时，比较波形的形状特征，从而 判断出信号功能是否一致。本章将先介绍w i e n e r 滤波过程，再详细介绍基于 w i e n e r 滤波器的波形比较方法及其具体实现腾况。 4 1w i e n e r 滤波过程 w i e n e r 滤波器是经典的线性去噪滤波器 s a e e d 0 0 1 ，适用于从噪声中分出整 个有用信号波形；其输入可看作所期望的输出信号加上幅度上的以及时间偏移 上的噪声。在均方误差最小的最优准则下，w i e n e r 滤波是一种最优滤波器，这 意味着输出波形是期望信号波形的最好估计。w i e n e r 滤波器广泛应用于线性估 计，信道均衡和信号恢复等领域，同时，它还可以用于图像模式匹配，但那主 要应用的是它频域上的特性 k 9 8 。 下面简单回顾w i e n e r 滤波器的推导过程，如图4 1 所示： 即 图4 1w i e n e r 滤波器 量( 埘) ：艺y ( 用一i ) o 哆 ( 4 一1 ) k s 0 第四章波形的模式比较 其中为w i e n e r 滤波器系统响应，y ( 坍) 是输入信号，输出信号量( 埘) 是目 标信号x ( m ) 的线性最小均方估计( l m s e ) 。写成矩阵向量的形式，就是： fj ( o ) 1r y ( o ) l 卸) ji y ( 1 ) j ( 2 ) 1 i y c 2 ) i i i l i i x ( n - 1 ) ) l y ( n 一1 ) y 卜1 ) y ( o ) y ( 1 ) y ( 一2 ) “- 2 ) y ( - o y ( o ) y ( n - 3 ) y ( 1 一p 1 y ( 2 一p 、 y ( 3 一a y 州一n w 1 w 2 ： w ，p - i ( 4 2 ) 即，斧= m 。 w i c n e r 滤波器的误差e 定义为目标信号套与输出信号x 之差， p = z 一垂= x y w 。( 4 3 ) 对误差向量e 的内积求导 害：南( ( x y w ) 7 ( 工一y w ) ) = 未( 以一矿y w w t 】，t x + x t 】，7 y w ) ( 4 - 4 ) ：一2 x t y + 2 m ，t 】，7 】， 为实现线性最小均方，由面a e t e = 。可以得到 f y t y ) w = y t z ( 4 5 ) 或 w = ( 】，t r ) - y t x ( 4 6 ) 注意到矩阵y t y 实际是输入信号自相关矩阵的时间平均估计，向量y t x 是输入信号向量和目标信号的互相关向量的平均时间估计，对于一个各态遍历 过程，如果信号长度n 趋近与无限，式( 4 - - 6 ) 可以得到 l i r a 。r w = ( 卿) 。n = 聊勺。( 4 - - 7 ) 第四章破形的模式比较 这就是维纳霍夫( w i 锄e r h 。p 0 方程，其中勘= e 眵+ 多7 是输入信号的自 相关矩阵；= e 眵+ ；】表示输入信号与目标信号之间的互相关向量。求解 w i e n e r 滤波器就是求解式( 4 - - 6 ) 。 时域的w i e n e r 滤波器处理可以在保证输入的待比较信号_ y ( 肌) 的形状特征 不丢失的情况下输出信号量咖) 与目标信号x ( m ) 之间的均方误差最小。因此， 我们可以以标准波形作为目标信号，建立相应的w i e n e r 滤波器，使得待测波形 在通过滤波器以后，能够保持形状特征不丢失的同时消除p v t 参数组合变化带 来的跃变时间和幅度变化的影响。此时，我们就能直接通过波形比较方法对它 们进行比较了。这就是我们基于w i e n e r 滤波器的波形模式比较方法的基本思 想。 4 2 基于w i e n e r 滤波器的波形模式比较方法 图4 2 所示为基于w i e n e r 滤波器的波形模式比较方法的流程图。下面将具 体介绍其中的各个步骤。 图4 2 基于w i e n e r 滤波器的波形自动比较方法流程图 第四章玻形的模式比较 4 2 1 波形预处理 在实际的应用中，毛刺以及电路性能本身的变化带来的影响给波形模式的 比较带来了更多的困难。针对实际的待比较的仿真波形，我们把它们大致分为 非脉冲波形和脉冲波形两大类。其中，非脉冲波形是指d c 信号波形，它们在 仿真期间具有恒定值，例如电源电压值v d d 或地值v s s ，有的可能会有一些 细小的毛刺，但是毛刺的幅值以及持续的时间都在一定的范围之内，如图4 3 ( a ) 所示。脉冲波形主要指仿真信号值发生了一定变化的波形，按照波形信号 值变化方向可以分为包括正脉冲和负脉冲，如果波形的均值大于初始值，称之 为正脉冲波形，反之称为负脉冲波形；按照波形变化的次数可以分为单脉冲， 多脉冲，以及阶跃信号。脉冲波形实例如图4 3 ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 所示。 ( a ) 非脉冲波形( b ) 正脉冲、单脉冲波形 ( c ) 负脉冲、单脉冲波形 ( d ) 正脉冲、多脉冲波形 第四章波形的模式比较 ( e ) 正脉冲、阶跃波形 图4 3 待比较波形形状类型 输入波形的预处理就是通过j u d g es h a p e o i 函数获取输入波形的基本信息， 包括波形的信号的类型，波形的开始时间、结束时间，最小步长等等，并做出 简单的判断。判断的标准包括以下几点： 如果待测信号与标准信号的信号类型不同，可以直接得出比较结果并结束 程序。 如果两个信号都是非脉冲波形，判断两者的d c 值是否相差在某个范围之 内，这样可以检查出波形代表的逻辑值不同的情况。 如果信号是负脉冲波形，需要将波形的初始值归零并翻转整个波形，这样 不仅有利于下一步的压扩处理，而且能比较准确地估计偏移量。 如果两个信号都是相同类型的脉冲信号，需要进一步判断是否两者具有尺 度变换的关系，即判断波形脉冲是否具有相同的宽度。由于w i e n e r 滤波器只能 处理幅度上的以及时间偏移上的变换，不能处理带有尺度变换的波形，这里可 以通过线性插值实现简单的压扩预处理，使其能满足w i e n e r 滤波器求解的要 求，也有利于下一步信号波形之间偏移量的估计求解。在这里，以负脉冲单脉 冲波形为例，简单说明波形压扩过程。如图4 4 所示，图中的横坐标不再是仿 真时间，而是采样点序列。可以看到，通过初始值归零、波形翻转以及线性插 值可以得到具有脉冲相同的波形。 2 7 第四章波形的模式比较 ( a ) 处理前 4 2 2 估计偏移量 图4 4 波形预处理实例 ( b ) 处理后 w i e n e r 滤波器的阶数将对滤波器的性能产生很大影响，包括：滤波器降 噪、信号恢复的性能；滤波器的运算复杂度；以及求解w i e n e r 滤波器过程的数 值稳定性。 滤波器阶数的选取取决于具体的应用。文献 s a e e d o o q b 提到，w i e n e r 滤波 器的阶数一般取“至2 5 6 。在实际应用中我们发现，w i e n e r 滤波器的阶数直接 影响其滤波效果，而它的阶数与波形之间的偏移量有关。因此，为了估计 w i e n e r 滤波器的阶数，我们需要求出两波形之间的偏移量，这是通过求解波形 的相关函数来实现。 两波形之间的偏移量可以通过求解它们的相关函数来估计。通过下列的关 系式，在信号x 和y 的相关函数c i ( 九) 绝对值最大处可以得到两个波形的偏移 量。 ( 月) = 石( f ) y ( f + 疗) ( 4 4 ) 还是以图4 4 处理前后的波形为例，我们可以得到图4 5 的例子。可以看 到，如果不经过初始值归零、波形翻转以及线性插值等预处理，很难通过计算 波形的相关值来得到波形的偏移量，这对后面估计w i e n e r 滤波器阶数会产生很 大影响。 2 8 第四章波形的模式比较 ( a ) 未经预处理( b ) 经预处理 图4 5 估计偏移量实例 4 2 3 求解w i e n e r 滤波器 第三步是求解w i e n e r 滤波器，并得到滤波输出信号。这个过程实际上就是 求解公式( 4 - - 6 ) 。其中，r 。是一个对称正定的t o e p l i t z 矩阵，为了求解这个 方程可以采用q r 分解等方法 s a e e d 0 0 。考虑到矩阵本身的对称正定的特性， 实际程序中采用c g n r 方法来求解方程( 4 - - 2 ) ，它能在一定误差精度的前提 下提高程序运行效率，并且具有更好的数值稳定性 0 9 6 。在求得滤波器系数 后，通过式( 4 1 ) 求得标准波形的最小均方估计。 4 2 4 波形比较 最后通过c o m p a r e ( ) 函数调用第一阶段的点对点比较