Design Compiler指南——设计综合过程

        在前面一章介绍完施加约束之后，接下来要做的工作就是将设计进行综合编译(compile)，本文我们将主要讨论综合编译的过程。主要分为这样几个部分：

• 优化的三个阶段及其特点
• 编译的策略
• 编译层次化的设计

一、优化的三个阶段

        这一节我们介绍Design Compiler进行优化的三个阶段：结构级、逻辑级以及门级，在不同的阶段，DC运用的方法和优化余地是不一样的，我们将对这几个阶段的特点和优化方法进行一个介绍，这里一起归纳一下，希望能加深认识。

        上图是这三个阶段的关系图，可以看到，结构级属于最高的抽象层次，当读入Verilog代码或者没有经过映射的db文件后，DC的优化从这个阶段层次开始，可以说，结构级是优化的最高层次，所以对DC来说，这个层次的综合可以称为高层次综合(High-Level Synthesis)。结构层的下一个优化阶段是逻辑级阶段，也是读入映射过的db文件的DC的初始优化阶段。再往下一个阶段是门级阶段，也是优化的最后阶段，这里所要作的工作主要就是GTECH到工艺库的映射。

1、结构级优化

        因为结构级是优化过程中层次最高的一级，因此它也是DC可以采用的优化方法最多的一级，它的主要优化方法如下图所示

1）DesignWare选择

        DW选择是结构级优化的一个很主要的特点，在这个阶段DC能够根据设计者施加的时序或者面积的约束在DW的不同实现方式中找到它认为最佳的实现方案。比如加法器的实现方式一共有如下几种

        其中DW Foundation需要有专门的license，而且使用之前还要设置综合库(synthetic library)。 

2）共享子表达式(Sub-Expressions)

        这里的子表达式主要是指数学表达式，比如下面这个例子，如果按照原来的语句综合，会包含6各加法器，但是如果表达式之间的公共项提取出来，便可以大大的减小面积，如下图

        如果要直接综合出共享后的电路，可以在编写RTL代码的时候强制指定共享项：

3）资源共享(Resource Sharing)

        资源共享的原理与共享子表达式类似，只不过这里指的所谓资源是一些HDL的运算符和表达式，比如加(+)、减(-)、乘(*)、除(/)以及大于(>)、大于等于(>=)、小于(<)、小于等于(<=)。比如给定一个语句

        DC会根据具体的约束条件综合出最符合要求的结构来。

4）运算符排序(Operator Reordering)

        对于下面这个表达式Z <= A + B + C + D(输出Z是施加了一定时序约束)，DC最初是按照从左至右的顺序计算的，也就是说它最初的排序如下

        如果几个输入信号到达的时间相同，DC会通过运算符排序优化成下图的平衡的结构，减小延时:

        如果A信号较迟到达，则综合出的电路结构会如下 :

2、逻辑级优化

        在经过结构级优化之后，电路被转化成了工艺无关的GTECH库的形式，这级也称为逻辑级，对于逻辑级优化来说，只有一个方法，那就是——结构化 (structure)或者扁平化(flatten)。

1）结构化(structure)

        结构化是DC在逻辑级的默认的优化方法，它是指：使用电路的一些中间项构成一个多级的电路结构。如下图的电路一共有三级逻辑，下一级的输入是上一级的输出，使用这种优化方法一般情况下能综合出兼顾时序和面积的电路来。

        结构化电路的典型是奇偶校验电路。

2）扁平化(flatten)

        扁平化是将所有的组合逻辑打平成乘积项和(SOP)的两级结构，类似与可编程阵列逻辑(PAL)。使用这种结构的特点由于没有利用中间项，综合后电路面积将会变得很大，但是却不一定能取得较好的时序。

        扁平化结构的电路和设置扁平化的DC命令如下所示：

dc_shell > set_flatten true -effort low | medium | high

综合结构化和扁平化的特点，可以归纳如下:

        由于DC默认是用结构化的方式综合逻辑级电路，而且这种方式可以得到兼顾时序和面积的结果，因此我们可以先用这种（结构化）方式优化。在优化后的电路中找出关键路径，看看关键路径上有没有符合使用SOP电路的模块，再将这些方便使用SOP的模块set_flatten，以便取得最佳的效果。 

3、门级优化

        门级优化是优化的最后阶段，它所要完成的任务就是将GTECH的电路映射到最终的工艺库中，并且保证映射后的电路不违反设计规则(Design Rule)。

1）工艺映射

        工艺映射包括组合逻辑映射和时序逻辑映射。组合逻辑映射是指DC使用工艺库中的各种门替换GTECH单元，并选择能实现相同逻辑的符合时序及面积要求的单元。

        时序逻辑映射的方法和组合逻辑相类似，也是出于速度和面积的考虑，尽量使用复杂的时序单元吸收一部分组合逻辑。 

 

2）设计规则检查(DRC)

        对于工艺库的单元而言，Foundry都指定了每个单元的工作条件的限制，比如最大电容(max_capacitance)等等，这些限制也可以称为设计规则(Design Rule)，在设计规则限定的范围内，Foundry提供的参数才有实际的意义。比如一个单元允许的最大电容为5pf，而实际工作电路中出现的电容值为10pf，那么这时，便违反了设计规则，单元的参数也就不能确保是准确的了。

        因此，DC在作门级优化的时候，在映射的过程中也会检查电路的设计规则，一般的做法是在单元中插入buffer增加驱动能力，或者将小驱动的单元替换为大单元。设计规则检查分为两个过程——DRC I 和DRC II 。

        DRC I是指Design Compiler在不影响电路的时序和面积的前提下修正违反规则的一些单元，如果在这个前提下不能完全修正，则要进行下一步的检查，即DRC II，这一步的修正必然是以牺牲一部分时序和面积为代价的。

二、编译策略

        编译过程是指设计经过三个阶段的优化，最终形成门级网表的过程，在这一节里，我们主要就编译的策略，它包含如下几方面的内容——

• 中断编译的方法
• 从报告中检查时序，调整策略
• 修正保持时间违反(Hold time violations)

1、中断编译的方法

        在DC-Tcl的界面下，当我们键入compile命令时，DC就开始了编译，也就是优化的过程。优化是在设计规则的条件下，运用不同的算法，综合最终出满足时序和面积的电路。优化首先是时序驱动(timing-driven)的一个过程，其次再是面积。如果找到了一个满足时序和面积等约束的电路，编译将会停止；如果通过种种编译仍不能满足时序，编译也会停止下来；另外，我们也可以人为的中断编译。

        人为中断编译的方法是键入Ctrl-C，经过一段时间的等待后（有可能时间会很长），优化过程暂停，并弹出如下菜单：

        这里有四个选项，设计者可以根据情况作出选择。

        DC在编译的过程中，会自动打印出一个报表，报告编译的总时间，设计的面积，关键路径的时序违反和总共时序违反情况，我们可以根据需要更改打印的列项目：

2、分析报告，调整策略

        一般情况下，我们先作一个默认的编译，这样一般可以取得既快又准确的结果，然后在编译完成后使用一些报告时序的命令，并分析它们的输出结果，使用的命令主要有

        从这些报告中，我们可以看到电路中是否有违反的约束，如果有，那么它是什么类型，还有电路中的最大负裕量(worst negative slack)是多少，等等。下面我们就几个常见的约束违反情况，谈谈纠正它的综合策略

1）较大的时序违例

        以下图为例

        从report_constraint –all这个命令的报告可以看出，需要到达的时间是1.20ns，而实际到达为2.84ns，违反了1.64ns。之所以判断它是一个较大时序违反的情况，并不是因为1.64这个绝对值很大，而是相比较需要时间而言，1.64是一个较大的值。一般而言，如果电路中的最大负裕量(简称WNS)所占时钟周期的15％以上的话，可以认为电路存在较大的时序违反。

      确认存在较大时序违反之后，下一步就是找出原因，消除违反情况。可供参考的步骤有下面几种：

1. 检查约束条件，看是否有疏漏或错误
2. 检查模块划分，看组合逻辑是否穿过多个模块
3. 重新编译优化后的网表
4. 修改RTL代码   

重新编译(Re-Compile)

        当重新读入映射后的网表进行重新编译时，DC会自动将门级的网表重新返回到GTECH的结构，相当于逻辑级。然后分别进行逻辑级和门级的优化，但是同时也可以进行DesignWare的替换。

        如果设计者仅仅将映射后的网表拿来再做一次compile，编译后的结果并不会不一定会比原来的好，无非把以前做过的优化再跑一遍。因此，重新编译之前会改变一些参数，如——改变设计约束、改变set_structure和set_flatten参数以及改变编译的map_effort。

改变map_effort重新编译

        对设计进行编译的时候，有三种编译级别可以选择，它们分别时低级、中级和高级。

dc_shell > compile -map_effort low | medium | high

        不同的级别编译要求的编译时间和编译结果都各不相同，compile –map_effort low编译时间最短，但是结果不一定好，它一般用于设计预估(Design Exploration)，不用在重新编译环节。
compile –map_effort medium是DC默认的编译级别，大多能在一定的时间内得到较为满意的结果。这也是我们推荐的初始编译级别。

        compile –map_effort high 编译的过程中会使用前面的级别中没有的算法，因此它所要求的时间是最多的，结果也是相对最好的。这种级别一般用在重新编译的阶段。

修改RTL代码

        修改源代码所能取得的效果是最直接的，同时也是代价最高的。修改代码后，DC会从最上层的结构级开始优化，前面也讨论过，越上层次的优化方法越多。所以通常这样得到的结果也越满意。但是，修改代码也不一定放之四海皆准的方法，因此并不是所有的设计我们都能获得源代码，同时也不是可以随便修改的。

2）较小的时序违例

        以下图为例

        从上图看出，相比较1.20的允许路径延时，0.10的负最大裕量(WNS)是比较小的(小于15%)，而且已经认定了约束和模块划分都是正确的，那么应该怎样修复这个错误呢？

        这里主要讲一下Incremental Mapping：

dc_shell > compile -incremental_mapping

        这个开关告诉DC，在重新编译的时候不需要把网表返回到GTECH结构，因此也不需要作逻辑级优化，速度也较一般的编译更省时间。这里DC所要作的是进行门级单元的替换，即在不违反设计规则的情况下用延时小的单元替换延时较大的单元。另外，如果读入的是db格式的网表，在这个阶段也可以进行DesignWare的替换。

        如果要同时优化多条路径，需要使用另外一个命令——set_critical_range。这个命令设置的critical_range是以WNS的值为基准的，优化的是和这个值的绝对值差设置值的那些路径。因此，如果设置值为0，那么就仅仅优化一条关键路径。

dc_shell > set_critical_range 2 [current_design]

3）设计规则违反

        有些时候的时序违反是由于设计规则违反引起的，比如说一个单元的扇出（fanout）过大，导致它的transition time的时间迅速增加。对于这种情况，我们可以通过

dc_shell > report_net -connections -verbose

dc_shell > report_timing -net

        两个命令审查连线的连接和负载情况。

        要修正设计规则的错误，可以使用一个编译的开关:

dc_shell > compile -only_design_rule

        如下面这个例子，为了满足最大电容的规则，在A端口的内部加上了一个buffer，用于缓冲N路径对A的负载。

3、修正保持时间违例

        一个时序电路要想正常工作，除了必须满足建立时间要求之外，也需要满足保持时间要求。虽然保持时间检查和建立时间检查是同样重要的，但是我们在实际综合的过程中却不是把它们同时考虑，而是更多的把保持时间的检查放到布局后。这是因为

• 时钟偏移必须要到布局完成后才能得到准确值
• 修正保持时间的通常做法是插入buffer，而这可能会增加建立时间违反的可能性，并且增大了组合电路的面积
• 保持时间检查用的一般都是电路工作的最佳条件，而在这个条件下，连线延时往往是被忽略的，连线延时也是必须在布局后才准确。

        如果确定要同时作建立和保持时间检查，那么在施加电路约束的时候要加入相应的开关，如：

        以及设置各自的工艺库—— 

        

        默认情况下，DC不修正保持时间的违反。如果确定要作修正，需要先设置一个变量再作检查 ：

dc_shell > set_fix_hold [all clocks]

dc_shell > compile -only_design_rule

        加上only_design_rule的开关后，编译过程中仅仅更换单元大小，并增加buffer，以便修正设计规则违反和保持时间违反。

三、层次化设计的编译

        一个层次化设计的编译过程包含两个阶段：1、将所有的子模块映射到门级，2、优化。

          在一个层次化的设计中，我们可能会遇到下面这种情况

      

        上图中，被综合的模块中D_design中含有三个子模块U1、U2和U3，其中U1和U3都是由模块Ades例化而来，这里的Ades称为多次例化的模块。对于这样一个设计，在compile之前使用check_design作检查的时候会报一个warning，即设计中存在多次例化的模块(multiple instantiations)，如果在这种情况下，我们不考虑多次例化的模块(Ades)，那么在继续的compile时候程序会终止退出。因此，必须对它进行处理，这里我们介绍两种方法——uniquify和compile + dont_touch。 

1、uniquify

        使用uniquify，DC会对每个例化的模块作一份拷贝，然后对它们分别取一个名字，即把不同的例化模块当作不同的两个模块处理。

        注意看上图，U1和U3两个模块的设计名分别由原来的Ades变成了Ades_0和Ades_1，因此在编译时，DC会将它们当作两个不同的模块，这样就可以根据它们不同的周围环境作优化。

        使用uniquify的具体实现方法如下

 dc_shell > uniquify

dc_shell > compile

2、compile ＋ dont_touch

        这种方法先将多次例化的模块作单独的约束和编译，然后在整合到上一级模块的过程中将它的属性设置为dont_touch，再编译。

        上图中，U1和U3两个模块的设计名都没有变化，只是在编译D_design之前先将Ades编译一次。这样U1和U3实际上是一模一样的模块。

        compile+dont_touch的实现方法如下

        这里的约束文件有两个，一个是Ades的Aconstraints.tcl，另一个是D_design的Dconstraints.tcl，并且在source后一个约束文件之前要对编译过的Ades设置成dont_touch。
在设置了dont_touch属性之后，编译D_design的时候就会忽略Ades，这样有好处也有坏处，好处是可以保护模块不被修改，但是这样同时也限制了DC对U1和U3的进一步的优化。 

3、uniquify Vs compile + dont_touch

        通过对上述两种方法的介绍，我们不难看出它们各自的优缺点——

        compile+dont_touch由于只需要对多次例化的模块编译一次，因此可以减少整个设计的编译时间，也可以减少内存的使用量。在多次例化的模块很复杂并且工作站的硬件条件有限的情况下，使用这种方法的优越性的比较明显的。还有，如果这个Ades是一个第三方提供的硬核(hard-core)，那么我们也只能使用这种方法。

        使用这种方法的缺陷也是显而易见的：由于顶层模块在编译的时候Ades设置了dont_touch，这就妨碍了DC针对Ades的各个实例周围环境的不同的进一步优化，从而使得结果不能真实的反映各个实例周围的环境变化。

        uniquify由于把各个多例化模块作为独立的模块来看，因此DC可以分别针对它们作出更好的优化，从而得到的结果也是比较理想的。缺点就是编译的时间稍微较长，但是对于一些不大的模块来说，这些是可以忽略的。        

        正因为uniquify可以综合出更好的结果，所以如果一般推荐使用uniquify解决多例化模块的综合问题。