数字电路低功耗设计(二)

1、-作者xxxx-日期xxxx数字电路低功耗设计(二)【精品文档】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

2、我们将介绍低功耗电路的设计和优化。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: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。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。switch activity: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

3、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

4、 probability ，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_switching_activity-static 0.2 -toggle_rate 20 -period 1000 all_inputsSAIF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

5、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

6、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

7、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 compiler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_

8、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

9、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

10、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。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

11、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_probability static_probability-toggle_rate toggle_rate-state_condition

12、 state_condition-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man set_switching_activity获取。-static_probability：设置静态概率。-period period_value | -base_clock clock：设置时钟（周期），-period和 -bas

13、e_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_clock CLK -period 20set_switching_activity -base_clock CLK -toggle 0.5 -static 0.015 all_inputs上述命令设置了时钟

14、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=0.025 GHz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. 025 GHz例三：set_switching_activity -toggle 0.025 -static 0.015 all_inputs

15、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_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_ports reset则设置了reset的值常为1.=上面我们讲解了设置翻转率的方

16、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。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_analysis 0 reset get_ports resetset_switching_activity -tog 0

17、.02 aset_switching_activity -tog 0.06 bset_switching_activity -tog 0.11 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。=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

18、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(Synthesis Invariant Objects，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(Synthesis Variant Objects)。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

19、，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RTL backward SAIF）以及 对门级网表的电路仿真后得到的文件（称为Gate backward SAIF）。下面逐个进行具体介绍。(3)SAIF-RTL BACK分析法RTLbackwardSAIF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。RTLforwardSAIF文件RTLforwardSAIF文件是记录RTL设计中综合不变物体的开关行为文件，可

20、以简单地理解：RTLforwardSAIF文件简要地记录了综合不变物的翻转率。RTLbackwardSAIF文件的产生需要RTLforwardSAIF文件，因此我们首先需要产生RTL forward SAIF文件。产生RTL forward SAIF文件的流程如下：RTL forward SAIF文件是由power compiler （包含在design compiler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 trueread_v

21、erilog sub.v top. v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 Wed May 12 18:31:19 2004(VENDOR Synopsys，Inc)(PROGRAM NAME rtl2saif)(VERSION“1 .0)(DIVIDER/)(INSTANCE top(PORT(address15 address15)(address14 address14)(address13 address13)(address12 addr

22、ess12)(address11 address11)(address10 address10)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。RTLbackwardSAIF文件的产生下面是产生RTL backward SAIF文件的流程：从上图中，我们知道，产生RTL backward SAIF文件，需要在仿真器输入testbench测试平台文件、RTL.v设计、RTL forward SAIF文件，然后使用VCS产生RTL forward SAIF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。

23、首先是PLI。使用VCS产生SAIF文件，需要用到程序设计语言接口（programminglanguage interface，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()

24、;$toggle_report(file_name,type,unit);就是设计源文件了，然后RTL forward SAIF文件在前面也讲过了，这里就从略。 最后是testbench。testbench中调用RTL设计、调用一下上述的PLI系统函数、调用RTL forward SAIF文件等。一个简单的示例testbench文件如下所示：module testbench;top instl (a, b, c,s);/例化顶层设计initial begin$read_rtl_saif (myrtl.saif)$set_toggle_region (u1);$toggle_start;#120

25、 a=0;#STEP in_a=temp_in_a;$toggle_stop;$toggle_report(rtl.saif,1.0e-9,top);endendmodule上面的测试平台中，用了系统任务程序$read_rtl_saif (myrtl. saif)，该命令读入综合不变物体文件RTLforwardSAIF。因此，仿真时，仿真器仅仅监视这些综合不变物体的开关行为。向量中$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-

26、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，就可以得到文件，这个文件就是RTLbackwardSAIF文件。功耗的分析对RTL代码仿真后，所得到的RTL Backward SAIF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RTL backward SAIF文件之后，我们根据前面的功耗分析的流程(从输入输出关

27、系看)，就可以分析功耗了：这里的开关活动文件就是RTL backward SAIF文件了。然后在power compiler中利用RTL backward SAIF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. dbset link_library * $target_librarycurrent_design toplinkread_ saif -input rtl.saif -inst testbench/topreport_power利用RTL backward 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

28、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RTL backward SAIF文件分析功耗的流程就是：power compiler 产生 RTL forward SAIF文件 VCS仿真产生RTL backward SAIF文件 power compiler 进行分析功耗。(4)SAIF-GATE分析法前面介绍了RTL backward 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

29、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：对应该流程的一个示例脚本如下所示：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 Sy

30、nopsys，Inc)(PROGRAM NAME lib2saif)(DIVIDER / )(LIBRARY ssc_core_typ(MODULE and2al(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信息。有了库SAIF文件，仿真时，仿真器会根据库中的SDPD信息，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te

31、stbench测试平台、门级网表、标准延时格式（standard 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 testbench;top instl (a, b, c，s);initial$sdf_annotate(my.sdf,dut)initial begin$read_lib_saif (mylib.saif);$set_toggle_region (u1);$toggle_start;#120 a=0;#STEP in_ a=temp_in_a;$

32、toggle_stop;$toggle-report(gate.saif,1.0e-9,top)endendmodule/testbenchtestbench测试平台主要是调用门级网表、SDF文件、库SAIF文件。testbench中，用$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信息。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_star

33、t和$toggle_stop命令控制开始和结束时间。$ 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 -R top.v testbench. 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 Syno

34、psys，Inc)(PROGRAM_NAME VCS-Scirocco-MX Power Compiler)(VERSION 1 .0)(DIVIDER / )(TIMESCALE 1 ns)(DURATION 10000.00)(INSTANCE tb(INSTANCE top(NET(z3(T0 6488) (T1 3493) (TX 18)(TC 26) (IG 0)(z32 (T0 6488) (T1 3493) (TX 18) (TC 26)(IG 0) ) )(INSTANCE U3(PORT(Y(TO 4989) (T1 5005) (TX 6)(COND(D1 * !DO)|(

35、! D1*D0) (RISE)(IOPATH S (TC 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 SA

36、IF文件和SDF文件，就可以在power compiler中进行功耗分析了，分析功耗的流程图如下所示:对应的一个示例脚本文件如下所示：set link_library * $target_librarycurrent_design toplinkread_ saif -input mygate. saif -inst tb/topreport_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

37、结一下，这里分析功耗流程为：power compiler 产生库SAIF文件VCS产生gate backward SAIF文件power compiler进行功耗分析。(5)VCD转SAIF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：相应的一个示例testbench如下所示：module testbench

38、;initial$sdf_annotate(my.sdf，dut)initial begin$dumpfile(vcd.dump);$dumpvars;endmodule然后使用下面命令进行仿真：vcs -R dut.v testbench.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：vcd2saif是在UNIX命令行使用的一个程序。vcd2saif程序也可以把VPD文件(二进制格式的VCD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-In First-()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的信息。如下图所示：有了SAIF文件之后，我们就可以像前面那样使用SAIF文件进行功耗分析了，至于是版