基于系統(tǒng)芯片ZSU32的SoC芯片設(shè)計

本文針對中山大學(xué)ASIC設(shè)計中心自主開發(fā)的一款系統(tǒng)芯片ZSU32，以Synopsys公司的Design Compiler為綜合工具，探索了對SoC芯片進行綜合的設(shè)計流程和方法，特別對綜合過程的時序約束進行了詳細討論，提出了有效的綜合約束設(shè)置方案。

1 時序約束原理

同步電路是大多數(shù)集成電路系統(tǒng)的主流選擇。同步電路具有工作特性簡單、步調(diào)明確、抗干擾能力強等特點。但是，因為所有的時序元件受控于一個特定的時鐘，所以數(shù)據(jù)的傳播必須滿足一定的約束以便能夠保持與時鐘信號步調(diào)一致。

設(shè)置建立時間(setup time)約束可以滿足第一個條件。

2 ZSU32系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)

ZSU32芯片內(nèi)置32 bit MIPS體系處理器作為CPU，具備兩路獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存，CPU內(nèi)部有獨立的DSP協(xié)處理器和浮點協(xié)處理器，同時集成了LCD控制器、MPEG 硬件加速器、AC97控制器、SRAM控制器、NAND Flash控制器、SATA高速硬盤控制器、以太網(wǎng)MAC控制器等，并具有I2C、I2S、SPI、、UART、GPIO等多種接口模塊。

3 ZSU32系統(tǒng)芯片的約束設(shè)置與邏輯綜合

ZSU32系統(tǒng)芯片的綜合采取自底向上的策略，先局部后整體。首先將當(dāng)前工作層次設(shè)置為系統(tǒng)芯片的某個子模塊，然后對該子模塊添加各項具體約束，接著完成子模塊的綜合。依次對各子模塊重復(fù)上述綜合流程，當(dāng)各個模塊都順利通過了初次綜合后，通過set_dont_touch_network命令將模塊中的關(guān)鍵路徑和時鐘線網(wǎng)保護起來，然后做一次全局優(yōu)化，檢查是否滿足時序等各方面的設(shè)計要求，達到要求就可以輸出最終的網(wǎng)表和各項綜合報告。

3.1 設(shè)定工藝庫和參考庫

設(shè)置Design Compiler運行所使用的庫：目標(biāo)庫(target_library)、鏈接庫(link_library)、可綜合庫 (synthetic_library)、符號庫(symbol_library)。其中的目標(biāo)庫中包含了標(biāo)準單元庫、RAM單元庫、I/O單元庫、 PLL單元庫等，通常是由芯片代工廠家提供。系統(tǒng)芯片ZSU32采用的是中芯國際的0.18 ?滋m CMOS工藝庫，所以在設(shè)置時就把目標(biāo)庫指向該工藝庫。

#設(shè)置目標(biāo)工藝庫

set target_library SMIC.db

3.2 讀入RTL設(shè)計與設(shè)置工作環(huán)境

讀入RTL設(shè)計通常有自頂向下或者自底向上2種方式。因為ZSU32模塊眾多，所以采用自底向上的讀入方式。首先讀入各個子模塊，并分別編譯;然后更改層次，編譯上一層的模塊;最后會合成整個系統(tǒng)。

讀入設(shè)計后，首先設(shè)置芯片的工作環(huán)境，根據(jù)采用的工藝庫提供的環(huán)境和線網(wǎng)負載模型，可以通過set_operating_condition和set_wire_load_model命令進行設(shè)置。以下是ZSU32綜合環(huán)境的頂層環(huán)境設(shè)置：

#設(shè)置工作環(huán)境

set_operating_condition smic18_typ;

#設(shè)置線網(wǎng)負載模型

set_wire_load_model smic18_wl30;

3.3 時序約束

3.3.1 時鐘定義

時鐘是整個時序約束的起點。系統(tǒng)芯片ZSU32將外部輸入時鐘和PLL模塊輸入時鐘作為源時鐘：ext_clk_i和pll_clk_i。通過對這2個源時鐘信號的分頻或者倍頻，產(chǎn)生了各個子模塊的時鐘信號。

#定義源時鐘ext_clk，周期16 ns

create_clock-name ext_clk-period

16 [get_ports {ext_clk_i}];

在SoC芯片內(nèi)部，子模塊的時鐘實際是經(jīng)過源時鐘分頻或者倍頻得到的，使用create_generated_clock命令來建立子模塊時鐘。

#設(shè)置一個2倍頻時鐘clk_main，

#其源時鐘是pll_clk_i

create_generated_clock -name clk_main

-multiply_by 2 -source pll_clk_i;

3.3.2 多時鐘域約束

時序檢查默認以一個時鐘周期為界，但對于ZSU32系統(tǒng)芯片，存在著一些多周期路徑，在這些路徑上，數(shù)據(jù)不需要在單時鐘周期內(nèi)到達終點。例如，clk30mhz和clk10mhz是同源的同步時鐘，前者頻率是后者的3倍，對從clk10mhz時鐘域向clk30mhz時鐘域傳輸數(shù)據(jù)的路徑，采用如下命令：

#按照3個周期(clk30mhz)進行

#建立時間約束

set_multicycle_path 3 -setup -start

-from clk10mhz -to clk30mhz;

對于異步時鐘域之間的路徑，不用進行同步的時序檢驗，應(yīng)該將其定義為偽路徑(false path)，這樣在邏輯綜合時就不必浪費資源去優(yōu)化。

#將異步時鐘e_clk和p_clk 之間的路徑設(shè)置為偽路徑

set_false_path -from e_clk –to p_clk;

set_false_path -from p_clk -to e_clk;

3.3.3 時鐘偏移

芯片中時鐘經(jīng)過不同的傳輸路徑，由于每條路經(jīng)延時不一，導(dǎo)致從時鐘源到達各個寄存器的始終輸入端的相位差。這種由于空間分布而產(chǎn)生的偏差叫做時鐘傾斜(clock skew)。此外，由于溫漂、電子漂移的隨機性，使時鐘信號的邊沿可能超前也可能滯后。這種具有時間不確定性的偏移稱為時鐘抖動(clock jitter)。偏移導(dǎo)致時鐘信號到達各個觸發(fā)器的時鐘引腳的時間不一致，需要給予約束。

#設(shè)置時鐘偏移為0.4 ns

set_clock_uncertainty 0.4 [all_clocks];

3.4 端口約束

SoC芯片通過大量輸入和輸出端口與外界進行信息的傳輸，端口約束主要用于約束頂層端口相連的片內(nèi)組合邏輯，包括確定輸入延時、輸出延時、輸出負載、輸出扇出負載、輸入信號躍遷時間等。

3.4.1 端口延時

輸入延時是指外部邏輯到電路輸入端口的路徑延時。輸出延時是指輸出端口到外部寄存器的路徑延時。

設(shè)置范例如下：

#設(shè)置端口pci_ad13的輸入延時為4.8 ns

set_input_delay 4.8 -clock clk_main

[get_ports {pci_ad13}];

#設(shè)置端口pci_ad16的輸出延時為3.6 ns

set_output_delay 3.6 -clock clk_main

[get_ports{pci_ad16};

3.4.2 端口的驅(qū)動與負載

端口的驅(qū)動和負載特性通過設(shè)置輸入驅(qū)動單元、輸入輸出負載值以及信號躍遷時間等來描述。范例如下：

#設(shè)置端口a7的驅(qū)動單元是BUFX2

set_drive_cell -lib_cell BUFX2 -pin

[get_ports {a7}];

#設(shè)置端口d17的負載值為20 pf

set_load -pin_load 20 [get_ports {d17}];

#設(shè)置端口d0的輸入信號上升時間是0.5 ns

set_input_transition -rise -min 0.5[!--empirenews.page--]

[get_ports {d0}];

3.5 面積和功耗約束

Design Compiler的綜合以時序優(yōu)先，即優(yōu)化完約束后才根據(jù)約束優(yōu)化面積和功耗。初次綜合時很難對面積進行評估，所以在第一次綜合時設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為0，表示在滿足時序約束的情況下最大努力地減小面積。待綜合報告出來之后，根據(jù)初步的面積和功耗報告，修改數(shù)值，從而進一步優(yōu)化。

#面積設(shè)置

set_max_area 0;

#功耗的約束做類似的處理：

set_max_total_power 0;