数字电路低功耗设计(二)

1、数字电路低功耗设计（ 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power compiler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

2、的设计和优化。 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:linkibr.ry/_ Tech?恤卜f Library/ read parasiticaPw asttic/上面的图中，需要四种东西： tech library: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。 n etlist: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。 switch activity: 包含设计中每个节点

3、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） 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

4、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（staticprobability , SP）:（节点）信号逻辑值为1的概率，上图中的SP为4/6=2/3。 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_switch in g_activity-static0.2 -toggle_rate20 -period 1000 all_i nputs这时，翻转率设置的节点是输入，响应的翻转率为：Tr = 20/1000 =0.0

5、2GHz SAIF 文件:即 switching activity interchange format，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 value change dump 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power compiler（包含在design compiler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

6、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

7、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。设置翻转变量在power compi

8、ler中，可以设置下面的两个翻转变量进行设置翻转 率：power_default_toggle_ratepower_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_togg

9、le_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 0.05GHN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 =0.5/1 ns = 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

10、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：升上创卜*r SplA)=4/6-0.66:Tr(AJ-J/fr-0 5LTLVIIIOIQ Aj1001U BTJSp( B=4/6-0.6&(:的韶转率可以通过A和BP叮也CJi* -1. 1MiMK FFl3壬 IjTogglePropaauon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

11、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。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

12、翻转率（简称设置翻转率）的命令主要有两条：set_switch in g_activity禾口 set_case_a nalysis ，下面就来讲解一下这两条命令的意思。set_switchi ng_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_switchi ng_activity-static_probabilitystatic_probability-toggle_rate toggle_rate-state_c on diti onstate_c

13、on diti on-path_sources path_sources-rise_ratio rise_ratio-period period_value |-base_clock clock-type object_type_list-hierarchyobject_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_switch in g_activity 获取。-static_probability:设置静态概率。-periodperiod_value | -base_clock clock : 设置时钟（周期），-period和-base_clo

14、ck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_clock CLK -period 20set_switchi ng_activity-base_clock CLK -toggle0.5 -static 0.015all_i nputs上述命令设置了时钟周期为

15、 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=0.025 GHz例二：set_switchi ng_activity-period 1000 -toggle 25 -static 0.015 all_i nputs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=0.025 GHz例三：set_switchi ng_activity-toggle 0.025 -static 0.015 all_i n

16、puts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 = 0.025 GHz上面讲解了 set_switching_activity ，下面我们就来讲解一下 set_case_a nalysis 。set_case_a nalysis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_a nalysis 1 get_ports reset则设置了 reset的值常为1.上

17、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_ports clkset_case_a nalysis0 reset get_por

18、ts resetset_power_default_toggle_rate0.003set_switchi ng_activity -tog 0.02aset_switchi ng_activity -tog 0.06bset_switchi ng_activity -tog 0.11x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。

19、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：R11. 纠馆 I cxpl ricthMSvnlhe Ji. Vyri,heii VriM cl link libraryReadread yerilog rtiud_vhd rcaddhknkreport power一个相应的示例脚本如下所示:set target_librarymy. dbsetlin k_library$target_libraryread_verilogmyn etlist.vcurre nt_d

20、esig n toplinkreadsaif -in put rtl.saif-inst testbe nch/topreport_power利用RTLbackward SAIF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 RTLbackward SAIF文件分析功耗的流 程就是：power compiler 产生 RTL forward SAIF 文件VCS仿

21、真产生RTL backward SAIF 文件power compiler 进行分析功耗。(4) SAIF-GATE 分析法前面介绍了 RTLbackward SAIF文件分析功耗的方法和流程，下 面介绍一下Gate backward SAIF文件分析功耗的方法和流程，这个 与RTL backward SAIF文件的很类似。 library 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。Gate backward SAIF文件的生成需要库SAIF文件，该文件可以通过 power compiler 生成，流程如下所示：Lib

22、rarv1Rad libraryI Write lib forward SAIFPwCr SDPD 1L Directive对应该流程的一个示例脚本如下所示：read_db mylib.dbIib2saif -output mylib.saif -lib_path namemylib.db示例库SAIF文件的部分内容如下所示：(SAIFILE(SAIFVERSION 2.0 lib)(DIRECTION forward)(DESIGN)(DATE Mon May 10 15:40:19 2004(VENDOR Synopsys Inc)(PROGRAM NAME Iib2saif)(DIVID

23、ER / )(LIBRARY ssc_core_typ(MODULE a nd2al(PORT(Y(COND A RISE FALL (IOPATH B)COND B RISE FALL(IOPATH A)COND DEFAULT)库SAIF文件中包含了 SDPD言息。有了库SAIF文件，仿真时，仿真 器会根据库中的SDPD言息，监视节点的开关行为。 Gate Backward SAIF文件的生成下面是产生gate backward SAIF 文件的流程：从上图中我们可以看到，产生gate backward SAIF 需要testbench测试平台、门级网表、标准延时格式(sta ndard

24、delay format )文 件SDF库SAIF文件。其中SDF文件反标了门级网表中的 RC延时参 数等，可以更为准确地得到线网的延时。testbench 的示例内容如下所示：module testbe nch;top instl (a, b, c ，s);in itial$sdf_a nno tate(my.sdf,dut)in itial begi n$read_lib_saif (mylib.saif);$set_toggle_regi on (u1);$toggle_start;#120a=0;#STEP in_ a=temp_in_a;$toggle_stop;$toggle-re

25、port(gate.saif,1.0e-9,top)enden dmodule/testbe nchtestbench测试平台主要是调用门级网表、SDF文件、库SAIF文件。testbench 中，用 $sdf_annotate(my.sdf, dut)命令作 SDF标记,以保证时序的正确性，从而得到正确的翻转数目。$ read_lib_saif(mylib. saif)命令读取库SAIF文件中的SDPD言息。仿真器只监视在SAIF文件里列出的SDPD开关行为。$ set_toggle_region(u1)命令选择要监视的模块。$ toggle_start 和$toggle_stop命令控制

26、开始和结束时间。$ toggle_report(gate. saif,1. 0e-9, top) 命令把SAIF输出到指定的文件。万事俱备，只欠仿真，接下来就是使用 VCS进行仿真了:vcs-Rtop.vtestbe nch. v注意，这里的仿真是对门级网表的仿真， 也就是说这里的top.v是门 级网表。产生的示例gate forward SAIF 文件的部分内容如下所示：(SAIFILE(SAIFVERSION 2 .0)(DIRECTION backward)(DESIGN)(DATE Mon May 17 02:33:48 2006)(VENDOR Synopsys Inc)(PROGR

27、AM_NAMEVCS-Scirocco-MX Power Compiler)(VERSION 1 .0)(DIVIDER / )(TIMESCALE 1 ns)(DURATION 10000.00)(INSTANCE tb(INSTANCE top(NET(TO 6488) (T1 3493) (TX 18)(TC 26) (IG 0)(TO 6488) (T1 3493) (TX 18)(TC 26)(IG 0)(INSTANCE U3(PORT(Y(TO 4989) (T1 5005) (TX 6)(COND(D1 * !DO)|(! D1*D0) (RISE)(IOPATH S (TC

28、22 )(IG 0)COND(D1*!DO)(!D1 , DO)(IOPATH S (TC 21)(IG 0) (FALL)COND DEFAULT (TC 0)(IG 0)Gate Backward SAIF文件是通过对门级网表进行仿真所得到的。如 果设计很大，仿真需要的时间很长。好处是精确度很高。VCS所产生的Gate Backward SAIF文件中包含了一些或所有连线的开关行为和 单元的开关行为。这些开关行为分别以上升和下降表示，与状态和路径有关。用这个信息可以进行精确的功耗分析。 功耗分析有了门级网表、gate backward SAIF 文件和SDF文件，就可以在power com

29、piler中进行功耗分析了，分析功耗的流程图如下所示：Select hbrarics| set link libraryRedNetlistrcad_verilog reiidvhdl rcaddb linkRead ParusitksRead Saif ead parasitics LReport power；rcpon_power对应的一个示例脚本文件如下所示:set target_librarymylib.dbset lin k_library * $target_library read_verilog myn etlist.v curre nt_desig ntoplinkread_

30、read_parasitics top.speftb/topread_ saif -in putmygate. saif -inst report_power上面的流程和脚本适用于后版图(post-layout) 的设计，spef文件在 做完版图后产生。使用寄生参数文件，提高了功耗分析的精确度。如 果是前版图(pre-layout) 的设计，没有寄生参数文件，连线的 RC 参数使用工艺库里的线负载模型。最后总结一下，这里分析功耗流程为：power compiler 产生库 SAIF文件VCS产生 gate backwardSAIF文件power compiler进行功耗分析。(5) VCD转S

31、AIF分析法前介绍了使用SAIF文件分析功耗的方法，这个方法都是通过 VCS仿 真得到相应的SAIF文件，然后进行功耗分析。下面我们介绍使用VCD 文件转换成SAIF文件的方法，然后进行功耗分析。VCD文件的产生首先，我们在进行仿真的时候，需要通过在testbench中加入相关的 系统函数，产生相应的VCD文件(和SDF文件)，流程示意图如下所 示：丄PSimutatiorvenGak lcclV CMNetlist LSDK fikSimulator相应的一个示例testbench 如下所示:module testbe nch;in itial$sdf_annotate(my.sdf, du

32、t)in itial begi n$dumpfile(vcd.dump);$dumpvars;en dmodule然后使用下面命令进行仿真：vcs -R dut.v testbe nch.v +delay_mode_path完成仿真之后，就可以得到 VCD文件了。VCD文件转换成SAIF文件 仿真时产生的VCD文件也包含了设计中节点和连线的开关行为。在Power Compiler中，可以使用程序vcd2saif可以把VCD文件转化为SAIF文件，如下图所示：vcd +saifnhvcd2saif *i-ovcd2saif是在UNIX命令行使用的一个程序。vcd2saif程序也可以把VPD文件（

33、二进制格式的VCC文件）转化为SAIF格式的文件。如果设 计很大，仿真的时间长，vcd2saif程序可以用管道传递的方式把 VCD 转化为SAIF文件。这时vcd文件不存放在文件里，vcd通过先入先 出（First-InFirst-（）nt，简称 FIFO把数据传给 vcd2saif 程序，然后产生SAIF文件。转换的SAIF文件里没有SDPD勺信息。如下图 所示：1Simulator vcd2saif -i-o *pr inputsv 曲 、,Black box outputs?箋盒子卡Appl default toggle应用默认的含15忌:.Lu U 丄.IT、刃 4-413*呈杏 I

34、1J j企毘亠SDPD toggles?二=4yFrYConstruct SDPD Ready for power analysts1 “ -Qif r ? H t 亡 口 m q h亡* 亡a 出转百昱.,ar -h atAnnotate switching activity使用report_saif命令的一个例子如下:使用report_saif命令的一个例子如下:用read_ saif命令标记的开关行为优先级最高；用set_switching_activity命令设置的开关行为优先级次之；优先级最低的是用默认的变量power_default_toggle_rate 指定的翻转率。开关行为可以被清除，使用“ reset_switchi ng_activity”命令可以清除所有被标记的翻转率和通过传输得到的翻转率。用 report_saif可以显示读入saif文件后设计中的开关行为信息。一个完整的SAIF文件,user annotated ”应该是100% 如果SAIF不 完整，那么默认的翻转率将附加到输入端和黑盒子的输出端。翻转率通过零延迟仿真传输下去，这样就可以计算出设计的功耗。dc_ehll-5eg-t rport_saif -hier