一種SoC芯片在Magma Talus下的物理實現(xiàn)

第二章 時序約束設(shè)計

本SoC芯片時序約束設(shè)計的關(guān)鍵在于功耗管理控制模塊的時序約束。

2.1 功耗管理控制（Power Management Controller, PMC）模塊簡介

整個設(shè)計中首先考慮的是PMC模塊的約束。PMC模塊是系統(tǒng)用來控制系統(tǒng)功耗的的控制器，可以通過寄存器配置，使SoC芯片在不同工作模式之間進(jìn)行切換：Slow、Normal、Idle 和Sleep。這些工作模式可以讓用戶根據(jù)芯片不同的應(yīng)用，通過動態(tài)地管理芯片內(nèi)部各子模塊的時鐘源供給和系統(tǒng)的工作頻率來控制芯片的整體功耗。另外，PMC 還包含了各個子模塊的初粒度的時鐘門控電路，通過寄存器配置可以集中控制、關(guān)閉不必要打開的模塊，從而達(dá)到降低功耗的目的。模塊具有以下性能指標(biāo)：

?內(nèi)置鎖相環(huán)、可動態(tài)變頻；
? 支持Slow、Normal、Idle、Sleep等4種工作模式；
? 支持模塊工作時鐘集中控制策略，芯片各模塊的時鐘可以通過PMC來關(guān)閉和打開；
? 低功耗sleep模式下支持DRAM/SDRAM 的數(shù)據(jù)自刷新，使得DRAM 中的數(shù)據(jù)可以得到保持；
? 內(nèi)部具有完整的reset 解決方案，提供3 種reset 選擇：hard reset、soft reset、watchdog reset；
? 內(nèi)部具有完整的喚醒功能。

PMC模塊包含了異步時鐘動態(tài)選擇電路、同步時鐘動態(tài)選擇電路、時鐘分頻電路、時鐘門控電路、跨時鐘域電路，既存在輸入時鐘，又存在輸出時鐘,是一個與時鐘高度相關(guān)、時序違例集中、時序分析較為復(fù)雜的電路。PMC模塊的時鐘生成電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

圖4 時鐘生成圖

系統(tǒng)時鐘經(jīng)過可配置參數(shù)的系統(tǒng)PLL和動態(tài)選擇邏輯后分頻（有1:1、1:2、1:3、1:4四種）。選擇默認(rèn)的2分頻為CPU 提供時鐘，動態(tài)選擇默認(rèn)的3分頻為高速總線提供時鐘，高速總線時鐘通過分頻后（有1:1、1:2、1:4、1:8四種），動態(tài)選擇默認(rèn)的2分頻為低速總線提供時鐘。

2.2 時序約束的一些策略

一個完整的時序約束文件包含時鐘的創(chuàng)建、時鐘的約束、輸入輸出端口的約束及時序違例等。SDC格式的約束可以采用豐富的語法表達(dá)出上述內(nèi)容。而Magma后端工具可以比較容易地識別出該格式的約束。我們采用SDC v1.7格式編寫時序約束，這樣既能為后端實現(xiàn)工具blast、talus識別，又能被靜態(tài)時序分析工具PrimeTime識別。

首先根據(jù)設(shè)計規(guī)格要求確定時鐘周期，在整個后端設(shè)計過程中的不同階段加以調(diào)整和修改。為保守計，我們采取冗余設(shè)計，最終設(shè)定的周期值比規(guī)格要求的值嚴(yán)格。Clock latency和clock skew的設(shè)置也要根據(jù)實際的時鐘樹結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行調(diào)整和修改。最終合理的時序約束文件是經(jīng)過反復(fù)地實驗不斷地修正而得到的。

復(fù)雜的時鐘，復(fù)雜的功能模式，必然帶來復(fù)雜的時序約束。對其正確、完備的約束施加，是保證后端設(shè)計時序分析和優(yōu)化有效的關(guān)鍵所在。

而PMC模塊的主要電路，如時鐘門控電路、分頻電路，動態(tài)選擇電路等，采用例化的標(biāo)準(zhǔn)單元以網(wǎng)表的形式直接給出，在用Magma Blast Rtl進(jìn)行邏輯綜合前，將這些以網(wǎng)表形式存在的單元使用force keep命令，保證時序約束施加點的固定。

在Fix Time前設(shè)置時序約束時，采用的方法是3分頻PLL后的源時鐘作為高速總線上的時鐘，低速總線時鐘與高速總線時鐘頻率一致，這樣在邏輯綜合階段時因為還沒有真正的時鐘樹，而設(shè)置的約束又比較保守，使綜合結(jié)果的時序有較大的冗余，又加快了綜合的速度。

在時鐘樹優(yōu)化時，采用MMMC來進(jìn)行。我們僅以功耗模式中Normal模式里的兩種在應(yīng)用時較常用的時鐘使用模式來設(shè)置MMMC：一種是3分頻PLL后的源時鐘作為高速總線上的時鐘，低速總線時鐘是高速總線時鐘的2分頻；另外一種模式是使用 1分頻PLL后的源時鐘作為高速總線時鐘，低速總線時鐘與高速總線時鐘頻率及PLL后的源時鐘頻率一致，此時低速總線時鐘頻率高于前一種模式下的時鐘頻率，達(dá)到低速總線上模塊能達(dá)到的最高頻率。其他模式僅用來分析及優(yōu)化。這樣可以有效加速時鐘樹創(chuàng)建的時間及分析效率。

在約束設(shè)計過程中，不可避免的會涉及到各種模式下時鐘間異步關(guān)系的設(shè)置，我們采用SDC v1.7里面的set_clock_group命令來進(jìn)行，該命令能有效的表征各個時鐘之間的異步關(guān)系，避免了set_false_path繁瑣的設(shè)置，并且能夠被Magma Talus軟件轉(zhuǎn)換為force timing clockgroups命令。下面是該設(shè)計中的兩個clock group設(shè)置的例子：

set_clock_group -name func_async_ck1 -logically_exclusive
-group [get_clocks "fck2_n"]
-group [get_clocks "hck3_n hck2anu3_n"]
-group [get_clocks "hck2anu4_n"]
set_clock_group -name func_async_ck2 -asynchronous
-group [get_clocks "usb_dev_ck"]
-group [get_clocks "usb_pll_ck"

另外分頻時鐘與源時鐘關(guān)系的設(shè)置上，我們根據(jù)仿真波形來確定分頻時鐘與源時鐘之間的相位關(guān)系，從而為create_generated_clock命令在-divide_by，-edges，-invert，-combinational間選擇不同的選項，使分頻時鐘和源時鐘之間的source latency關(guān)系很容易就能確定下來，簡化了時序分析。 下面是該設(shè)計中幾個分頻時鐘約束的例子：

create_generated_clock -name usb_dev_ck
-divide_by 4 -invert
-source [get_pins "…/OR2CLK_Inst/Z"]
-master_clock [get_clocks "pllout48m"] -add
[get_pins "…/clk_1x_reg/Q"]
create_generated_clock -name rngck8
-edges "7 15 23"
-source [get_pins "…/OR4CLK_Inst/Z"]
-master_clock [get_clocks "pck_n"] -add
[get_pins "…/CLK_CNT_reg[2]/Q"]
create_generated_clock -name pck8_n
-edges "3 11 19"
-source [get_pins "…/OR4CLK_Inst/Z"]
-master_clock [get_clocks "hck3_n"] -add
[get_pins "…/PCLK_DIV8_reg/Q"]
create_generated_clock -name hck_out
-combinational
-source [get_pins "…/OR2CLK_Inst/Z"]
-master_clock [get_clocks "hck3_n"] -add
[get_ports "hclk"]

2.3非時序邏輯時序?。╠ata-to-data timing arc）的處理

SoC中使用到的EE模塊是一個異步IP，時序模型存在非時序邏輯的時序?。╪on-sequential library arc，也即data-to-data timing arc）：輸入的數(shù)據(jù)或控制信號與輸入pin——CEN、WEN之間有data-to-data 的時序弧存在、其中的控制信號CHER、CHWR、ER_ONLY、WR_ONLY與輸出pin——READY之間也存在著data-to-data 的時序弧。綜合工具并不區(qū)分時序邏輯與非時序邏輯的時序弧，只要設(shè)計中有時序弧的單元存在，綜合工具就認(rèn)為應(yīng)該在相應(yīng)pin腳設(shè)置時鐘，因此在綜合的過程中會認(rèn)為在CEN、WEN、READY這幾個信號pin應(yīng)設(shè)置時鐘。如果不設(shè)置，在綜合過程中，綜合工具的時序分析引擎是報不出任何經(jīng)過或到CEN、WEN、READY的路徑。而一旦設(shè)置為時鐘，就會產(chǎn)生很多false path。我們最后的做法是不在邏輯綜合階段將其設(shè)為時鐘，而是將該問題留到時鐘樹優(yōu)化時，使用config timing check data_to_data on 將data-to-data check選項打開，并使用force timing check命令約束相應(yīng)的時序關(guān)系。