逻辑综合中对关键路径处理方法的研究

摘要：   本文介绍了IC设计中逻辑综合的一般步骤及相关基本概念，并在此基础上以综合工具Design Compiler为例，从基本电路单元、端口、边界和结构4个方面，着重阐述 了对关键路径的处理方法。
      
关键词： 综合；Design Compiler；关键路径
      
引言
     
      在IC设计流程中，逻辑综合是后端设计中很重要的一个环节。综合就是指使用综合工具(本文以Design Compiler为例)，根据芯片制造商提供的基本电路单元库，将硬件描述语言描述的RTL级电路转换为电路网表的过程。主频是芯片性能的重要指标之一，如果希望关键路径的延迟满足芯片设计的周期时间，不但需要RTL代码描述满足要求，更要讲究综合中对关键路径的处理方法。

图1 常见的时序路径示意图
      
    
图2 边界转化示意图
      
     
图3 structuring策略下某一逻辑的综合电路
      
     
图4 flattening策略下同一逻辑的综合电路

综合概述
     
1 综合中的延迟及关键路径
     
       图1中给出了常见的两个寄存器R1和R2之间的时序路径。R1和R2分别具有延迟Tck-q和Tsetup，TM和TN分别是M和N逻辑具有的延迟。B对R1来说是输出端口，输出延迟为Tsetup+TN，而对R2是输入端口，输入延迟为Tck-q+TM，于是这条单周期路径的总延迟为Tck-q+TM+Tsetup+TN。
       从延迟的角度来说，关键路径就是指那些总延迟大于相应周期时间的路径。消减关键路径的延迟要从消减路径中的各部分延迟入手，主要方法就是利用综合工具对路径施加约束条件来限制优化，达到减小路径延迟的目的。
     
2 综合的主要过程

• 翻译：读入电路的RTL级描述，并将语言描述翻译成相应的功能块以及功能块之间的拓扑结构。这一过程的结果是在综合器内部生成电路的布尔函数表达式，不做任何逻辑重组和优化。
• 优化：根据所施加的时序和面积约束，按照一定的算法对翻译结果进行逻辑重组和优化。
• 映射：根据所施加的时序和面积约束，从目标工艺库中搜索符合条件的单元来构成实际电路的逻辑网表。

     一般的综合步骤如表1所示。从表1中可以看出，约束条件是综合过程的重要组成部分。综合正是通过设置约束条件来优化设计，以达到设计要求的。
     
对关键路径延迟的主要约束处理方法
     
1 通过选择器件的处理方法
     
      从最直观的角度看，时序逻辑和组合逻辑都由基本的电路单元组成，因此，选择延迟小且不影响芯片性能的器件是既简易又高效的处理方法。例如，基本电路单元库中的DFFXL寄存器虽然面积较小，但它的延迟相关参数Tck-q、Tsetup较大，容易形成关键路径，于是可以通过设置set_dont_use等约束来禁用它。在一些特殊情况下，基本电路单元库中的器件不能满足要求，这时需要采用自定义的电路单元。
     
2 对端口间逻辑的处理方法
       这是诸方法中最常用、最有效、最重要的，一般通过set_input_delay、set_output_delay、set_max_delay等来实现，有以下几种情况：

     如果两个寄存器之间的逻辑比较少，那么可以对其输入延迟和输出延迟施加较宽裕的约束，即设置较大的set_input_delay和set_output_delay值，表明所做逻辑不受压缩，映射电路基本单元库的自由度较大。这样，两者的实际延迟之和将不大于单周期时间(非关键路径)，不仅满足设计要求，而且对其他关键路径的影响很小。

       如果两个寄存器之间的逻辑比较多，那么就要对其输入延迟和输出延迟施加较严厉的约束，即设置较小的set_input_delay和set_output_delay值，表明所做逻辑需要压缩，而映射电路基本单元库的自由度也较小。但这并不表示越小越好，如果设的值很小(甚至为零)，那么会使综合器对这条路径的逻辑压缩得过大，而导致其它关键路径的延迟增加，甚至导致其它非关键路径转化为关键路径。因此要凭借经验，不断改变所设的约束值，最终使所有路径的延迟都不大于单周期时间，满足设计要求。

       对于一般芯片设计(中小规模)，在以上两种情况下，对其输入延迟和输出延迟合理施加约束，基本就能满足设计要求。如有个别几条关键路径延迟仍然较长，可以通过设置set_critical_range和group_path来加以约束。这两种约束对所约束路径的逻辑压缩效果较好，且不会影响其它路径的延迟。采用这样的约束之后，关键路径通常都能被消除了。
      对于一些大规模的芯片设计和上述处理后仍然存在关键路径的情况，就要用set_max_delay来进行约束，这种约束的效果非常明显，但会影响其它路径的延迟。因此也要凭借经验，不断改变所设的约束值，最终使所有路径的延迟都能满足设计要求。

     
3 对层次间边界的处理方法
     
       硬件描述语言描述的RTL级电路通常是多层次模块，对其进行综合后得到的电路依然以独立模块的方式存在，即存在边界问题，因此综合中有专门针对边界问题的约束，利用这些约束可以打散边界、保持边界，或重新整合边界，从而优化边界，达到设计要求。
    
       如图2所示，约束group用来生成新的层次模块，而约束ungroup的作用刚好相反，它用来打散边界，消除层次模块。通常它们都会结合起来使用，但不管以哪种方式选择边界，都应该根据具体的设计要求，参照综合结果，选择最好的方法。
    
      在用硬件描述语言描述RTL级电路时，有时会专门设计某些单独模块(类似全定制电路)来简化实现一定的功能，从而缩短延迟并减小面积。在综合中利用约束set_dont_touch可以保证这类模块不受影响，保持边界。
     
4 对电路结构的处理方法
     
       一般情况下，设计者在描述RTL级电路时就应该考虑诸多因素，对电路结构进行规划，而在综合中只要将RTL代码映射到基本电路单元库几乎就能达到预期要求。但在有些状况下，还是需要利用一些约束来进行优化，这里仅以最常见的set_structure和set_flatten来加以说明。
    
      structuring是综合中默认的逻辑优化策略，它同时考虑了延迟(速度)优化及面积优化；而flattening这种策略往往以牺牲面积来达到缩短延迟的目的。
    
      对某一逻辑的RTL级描述采用structuring和flattening两种策略得到的综合电路分别如图3、图4所示。flattening策略下得到的电路只有两级，延迟小于structuring策略下得到的三级电路，但电路面积比较大。当今IC工艺已经进入深亚微米级，因而在设计中往往需要首先考虑延迟因素，但究竟选择哪种策略，还是要根据具体的设计要求而决定。
     
结语
     
       本文介绍了几种处理关键路径的主要方法，还有其它一些方法也能对关键路径有所贡献，但效果不是很明显，这里就不再赘述。在通常情况下，依照这些方法就能够优化设计并满足要求。如果采用上述方法后还不能消除关键路径达到设计要求，就需要改进系统级设计，修改RTL代码，再重新进行综合。