高清电视芯片的综合优化设计

引言

－－－作为一种大众传播的媒介，高清数字电视（ＨＤＴＶ）以其极高的图像质量和丰富的图像表现力正成为未来信息媒介的核心。实现ＨＤＴＶ的各种芯片是目前集成电路设计的竞争热点。

本文首先介绍利用自动化综合工具在编码和综合的阶段完成用于ＨＤＴＶ芯片设计的优化。由于Ｖｅｒｉｌｏｇ代码的好坏会直接影响到综合的结果，所以在设计代码的阶段就应该把综合的要求考虑进去。其次介绍该ＨＤＴＶ芯片的特点和结构，重点考虑ＨＤＴＶ芯片的结构复杂导致综合的困难及解决方法。最后，介绍了如何把ＨＤＴＶ芯片用综合工具ＤｅｓｉｇｎＣｏｍｐｉｌｅｒ将设计优化，使延迟从－０．９４降到０．１１。

ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ综合性设计

１时钟安排

选用上升沿触发的单时钟信号，尽量不使用混合触发的时钟信号。因为时钟周期在时序分析的过程中是关键问题，它还影响到时钟的频率。使用简单的时钟结构利于时钟信号的分析和保持，避免在时钟信号上添加ｂｕｆｆｅｒ，还利于得到更好的综合结果。图１给出了上升沿触发的单时钟信号结构。

尽量避免使用门控时钟。时钟门控电路通常与工艺和时序有关，错误的时序关系会导致错误的时钟和脉冲干扰。时钟的ｓｋｅｗ会导致ｈｏｌｄｔｉｍｅ的混乱，如图２所示。此外，门控时钟会使设计的可测试性下降。

同时，要避免使用内部的寄生时钟和寄生ｒｅｓｅｔ。寄生时钟不能作为扫描链的一部分，所以会使设计的可测试性下降，综合约束的设计难度提高。只有一些低功耗的设计需要门控时钟，在顶层模块中注意要把时钟或ｒｅｓｅｔ电路作为分立模块。

２综合代码

使用可综合的代码可以提高电路的可测试性，简化静态时序分析，使门级的电路和初始的寄存器级代码功能一致。

利用寄存器代替组合逻辑的反馈，避免使用锁存器（Ｌａｔｃｈｅｓ）。寄存器受到时序逻辑的青睐，它可以维持一致性和综合的正确性。在设计中用ｒｅｓｅｔ信号来初始化寄存器的信号。在Ｖｅｒｉｌｏｇ中不要使用ｉｎｉｔｉａｌ语句对信号进行初始化。

在每个ａｌｗａｙｓ块中，指定完整的敏感信号列表。如果不指定完整的敏感信号，行为级的前端综合和后端综合网表的结果会不符。综合工具在ｅｌａｂｏｒａｔｅ设计时会给出警告。若增加多余的敏感信号则会降低仿真的速度。另外，注意阻塞性赋值和非阻塞性赋值的问题，阻塞性赋值一般用于时序电路中。

Ｃａｓｅ语句相当于一个单层的多路器；Ｉｆ－ｔｈｅｎ－ｅｌｓｅ语句相当于一个层叠的组合多路器。单一多路器的速度会快一些，所以通常建议使用ｃａｓｅ语句。避免使用ｆｕｌｌ－ｃａｓｅ和ｐａｒａｌｌｅｌ＿ｃａｓｅ，这两种语句会导致在仿真和综合过程中代码的解释出现差异。

编写时序逻辑的代码要包括状态机和一个时序的进程，通过在进程外用ａｓｓｉｇｎ语句来生成复杂的内部中间变量从而改进代码的可读性。使用ｄｅｆｉｎｅ语句来定义状态向量。把有限状态机和非有限状态机放在不同的模块中有利于综合。

在ＲＴＬ代码中不要使用任何延迟常量。延迟量不仅会导致在一些环境中的不正确，还会使得仿真和综合的结果不一致，扰乱ＲＴＬ仿真器代码的优化。

３代码划分

为了得到更好的综合结果，更快的综合速度，用简单的综合策略来满足时序的要求，推荐使用以下综合划分的技术。

●所有模块都使用寄存器输出。对于每个设计的子模块都要记录所有的输出信号，这样可以简化综合的过程并可预测输出的驱动能力和输入的延迟。

●把局部的相关联的组合逻辑放到同一个模块中，对于有不同目标的设计应放在不同的模块中。例如在综合的过程中，把需要优化面积和速度的关键路径逻辑放在分开的两个模块中，如图３所示。

●综合时间的划分最主要的标准是逻辑功能、设计目标、时序和面积的需要。准确的时序计算和适当的约束对综合时间的影响远远大于电路规模的影响。把同一设计目标的电路逻辑放到一起也会减少综合时间，而设计的约束过多会增加综合时间。减少综合时间的关键是在设计之前制定精确的时间预算，并使设计的宏模块达到预算的要求，然后编写综合约束来满足预算，最后是运用综合工具的命令来实现约束。

●避免时序异常。时序异常主要包括ｍｕｌｔｉｃｙｃｌｅｐａｔｈ和ｆａｌｓｅｐａｔｈ。如果设计中一定要用到多周期路径，应记录开始和结束点来确保在芯片级的有效。尽量避免使用异步逻辑，异步逻辑会给设计的正确性和验证带来困难。

●注意ｇｌｕｅ模块的放置。将顶层的连接模块放到底层模块中，同时确保顶层含有Ｉ／Ｏ管脚和时钟发生器，如图４所示。

ＨＤＴＶ芯片的特点

所设计的芯片应用了数量众多的不同类型的ＲＡＭ，其中包括内部１个单口ＲＡＭ、２个双口ＲＡＭ、３个ＲＯＭ和２０个寄存器堆栈。

芯片内部要求多时钟信号（２７ＭＨｚ、７４ＭＨｚ、１５０ＭＨｚ），并通过ｃｌｏｃｋｍｕｘ来选中时钟。２７ＭＨｚ时钟用于ｄｍａ模块中的ＰＣＩ总线时钟，同时它和７４ＭＨｚ时钟通过模式选择来确定是ＨＤＴＶ模式还是ＳＤＴＶ模式的解码。Ｐｌｌ核心时钟频率为１３．５ＭＨｚ，Ｐｌｌ输入时钟经过１１倍频后产生１４８．５ＭＨｚ时钟，ｐｌｌ时钟同时也用于测试。此外还有６个驱动外部芯片的输出时钟，即ＰＣＩ时钟、视频时钟、２个ＳＤＲＡＭ时钟和２个ＳＲＡＭ时钟。

为了得到较高的测试覆盖率，本设计使用多种测试方法，如扫描链（ｓｃａｎｃｈａｉｎ）、边界扫描（ｂｏｕｎｄａｒｙｓｃａｎ）和存储器的内建自测试（Ｂｉｓｔ）等。本设计多数模块采用ＢＩＳＴ方法达到测试目的，采用的是ＭｅｎｔｏｒＭｂｉｓｔａｒｃｈｉｔｅｃｔ工具来自动插入ＢＩＳＴ代码。其他部分用ＭｅｎｔｏｒＪｔａｇ工具来实现边界扫描，插入ＪＴＡＧ代码。

芯片外部与高速的ＳＤＲＡＭ和ＳＲＡＭ的连接，每个模块都包括４片ＲＡＭ。ＨＤＴＶ芯片主要通过ｓｄｒ＿ｓｓｒ＿ｓｅｌ信号来实现两种环境的转换。

如图５所示，ＨＤＴＶ芯片的结构设计方案层次复杂，芯片主要分为三层，其中ｃｏｒｅ＿ｔｏｐ是不依赖于工艺的，它的主要功能是完成ＨＤＴＶ码流的解码。

如上所述，芯片的这些特点给后端的布局布线提出了很高的要求，综合结果会直接影响布局布线（ｆｌｏｏｒｐｌａｎｎｉｎｇ），因此综合的方法很重要。

综合方案

１初步综合

首先把设计进行粗略的Ｔｏｐ－ｄｏｗｎ综合，查看综合结果报表。根据ＰＤＫ的数据设置基本的ＤｅｓｉｇｎＲｕｌｅｓ和ＤｅｓｉｇｎＣｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ。包括ＳｅｔｔｉｎｇＤｅｓｉｇｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（Ｆａｎｏｕｔｌｏａｄ，Ｏｕｔｐｕｔｌｏａｄ，Ｉｎｐｕｔｄｒｉｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅ）和ＳｅｔｔｉｎｇＤｅｓｉｇｎＣｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ（ＤｅｓｉｇｎＲｕｌｅｓＣｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ（ｍａｘ＿ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ｍａｘ＿ｆａｎｏｕｔ，ｍａｘ＿ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ），ＴｉｍｉｎｇＣｏｎｓｔｒａｉｎｔ（ｍａｘ＿ｄｅｌａｙ，ｍｉｎ＿ｄｅｌａｙ），ＡｒｅａＣｏｎｓｔｒａｉｎｔ）。经过初步综合后延迟的结果如表１所示。

表１给出的ｓｌａｃｋ＝－０．９４是在没有考虑ｗｉｒｅｌｏａｄ的情况下的结果，所以还需要很大改进。

图６是综合后用ｄｅｓｉｇｎ＿ｖｉｓｉｏｎ对ｃｒｉｔｉｃａｌｐａｔｈ进行统计，得到的ｐａｔｈｓｌａｃｋ分布结果。

２基本解决方案

根据上述统计结果，得到ｃｏｒｅ－ｔｏｐ模块不满足时序要求的ｃｒｉｔｉｃａｌｐａｔｈ最多，所以要通过把ｃｏｒｅ－ｔｏｐ模块单独进行优化来得到更佳的综合结果。首先设置ＤｅｓｉｇｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ和ＤｅｓｉｇｎＲｕｌｅｓ，然后对延迟进行优化。

ＤｅｓｉｇｎＣｏｍｐｉｌｅｒ对设计的时序优化是基于所指定的延迟约束进行的。影响延迟的约束包括时钟、输入和输出延迟、外部负载、输入单元的驱动能力、运行环境和线负载模型等。解决延迟问题的具体方法如下。

●使用ｓｅｔ＿ｆａｌｓｅ＿ｐａｔｈ命令。包含两个以上时钟的设计中，在没有关联的时钟之间要设置ｆａｌｓｅ路径，否则就会浪费更长的运行时间和更高的内存占用率。

●使用ｕｎｇｒｏｕｐ命令，拆分底层模块。

●用ｓｅｔ＿ｃｒｉｔｉｃａｌ＿ｒａｎｇｅ命令定义关键路径的优化范围。

●用ｓｅｔ＿ｃｏｓｔ＿ｐｒｉｏｒｉｔｙ－ｄｅｌａｙ命令设置延迟的优先级高于设计约束的优先级。

●用ｓｅｔ＿ｕｌｔｒａ＿ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ命令，可以用调用逻辑复制和门映射的算法来编译。

●Ｃｏｍｐｉｌｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ命令是在原有的综合的基础上，改进设计中不满足约束的部分，保留满足约束条件的部分。

●Ｃｏｍｐｉｌｅ－ｍａｐ＿ｅｆｆｏｒｔ－ｈｉｇｈ命令中，－ｈｉｇｈ与－ｍｅｄｉｕｍ和－ｌｏｗ相比需要编译时间更长，但是能得到更佳的综合结果。这个设置可以使关键路径再次综合。

３综合结果

图７给出三步对延迟进行优化的结果，实现的具体步骤如下。

首先，依据报表查出延迟产生的原因。根据报表把主要的三个时钟之间设成ｆａｌｓｅ＿ｐａｔｈ，根据前端ｃｏｄｉｎｇ阶段的设计设置ｍｕｌｔｉｃｙｃｌｅ，加上下面约束生成新的报表。

Ｕｎｇｒｏｕｐ

Ｓｅｔ＿ｃｒｉｔｉｃａｌ＿ｒａｎｇｅ５

Ｓｅｔ＿ｃｏｓｔ＿ｐｒｉｏｒｉｔｙ－ｄｅｌａｙ

Ｓｅｔ＿ｕｌｔｒａ＿ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

Ｃｏｍｐｉｌｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ

通过设置错误路径和多周期后，由新的报表可以得到ｐａｔｈｓｌａｃｋ减少到了－０．５０。

然后，使用ｃｏｍｐｉｌｅ－ｍａｐ＿ｅｆｆｏｒｔｈｉｇｈ命令。根据报表ｐａｔｈｓｌａｃｋ＝－０．３６，结果还需要进一步优化。

从报表可以看出ｓｌａｃｋ不满足的路径主要集中在视频模块中的时钟信号ｖｅ＿ｃｌｋ、ＰＣＩ模块中的ｐｃｉ＿ｃｌｋ，以及ＲＡＭ模块中的ｓｄｒ＿ｃｌｋ０、ｓｄｒ＿ｃｌｋ１、ｓｓｒ＿ｃｌｋ０和ｓｓｒ＿ｃｌｋ１，所以需要给以上路径增加ｆａｌｓｅ＿ｐａｔｈ。Ｖｉｄｅｏ＿ｍｏｄｅ＿ｒｅｇ模块是一个存储状态值的模块，写入后不再改变，所以也设为ｆａｌｓｅ＿ｐａｔｈ。最终结果ｐａｔｈｓｌａｃｋ＝０．１１，满足要求。

如果ｓｌａｃｋ是由两个模块产生而不是模块内部的问题，还可以用ｕｎｇｒｏｕｐ命令拆分。本结果的ｓｌａｃｋ就是由ｖｅ＿ｍｅｍ模块内部产生，但结果的ｓｌａｃｋ已经满足了要求，而且经过后端处理会改进的更好。

结束语

本文对ＨＤＴＶ芯片，从编码和综合两个方向入手，提出了解决方案。通过使用Ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的综合器ＤｅｓｉｇｎＣｏｍｐｉｌｅｒ，采用Ｔｏｐ－ｄｏｗｎ的方法对设计进行综合。结果表明综合方案较好的满足了综合目标，效果明显。