数字集成系统设计——逻辑综合

行为综合：将基于HDL描述的行为级代码自动转换为RTL级代码，只考虑逻辑不考虑延时，发展缓慢。
逻辑综合：将基于HDL描述的RTL级代码自动转换为门级网表，所用连线延时是理论预估值，普遍使用（本节之后所称“综合”均指“逻辑综合”）。
物理综合：将基于HDL描述的RTL级代码自动转换为门级网表，所用连线延时是布局布线后提取的真实值，运算量巨大。

1.2 逻辑综合的基本架构

综合优化目标

速度：在不出现时序违例的前提下关键路径延时最短
面积：在满足时序的条件下面积最小
功耗：在满足时序的条件下功耗最低

常用逻辑综合工具

Synopsys的Design Compiler（DC）
Cadence的RTL Compiler、BuildGates

1.3 逻辑综合的内部流程

1.3.1?RTL代码转译（Translation）

????????基于通用元件库（如DC 的Design Ware），将RTL描述转换为门级布尔描述（DC用 Gtech通用网表表征），效果主要取决于RTL编码质量。

1.3.2 逻辑级优化（Optimization）

????????对布尔函数进行逻辑结构上的优化，效果主要取决于EDA工具。

1.3.3?工艺映射（Mapping）

????????基于工艺库和约束条件，将优化好的布尔函数转换成实际的门级逻辑电路，并完成门级优化。

二、优化策略

2.1 资源共享

????????不同的逻辑尽可能共享相同的代码、表达式或元件，以减少芯片的面积，但可能会降低速度。比如下面的这个例子：

????????同样的逻辑功能，资源共享后元件数从5个减少到3个，而且选择器的复杂度低于加法器，从而显著减小了芯片面积，而延时没有变化。事实上，在RTL代码设计时也可以使用这样的技巧。

2.2 子表达式共享

2.3 时分复用

????????原方案：需要4个乘法器、1个加法器、2组寄存器

????????时分复用方案：只需要1个乘法器、1个加法器、2个多路选择器和3组寄存器。如维持原有延时不变，需将时钟频率增加到原来的四倍

2.4?展平化与结构化

2.4.1?展平化（Flattening，亦称扁平化）

????????将设计中所有的中间变量和结构转换为只有两级逻辑的乘积和形式，适用于随机逻辑（如指令译码）的优化。

2.4.2?结构化（Structuring，亦称层次化）

????????人为地给设计增加中间变量和逻辑结构，适应于本身就有很强结构性的单元（如加法器、乘法器和算术单元等）

2.5 逻辑重建

????????在保证逻辑功能不变的前提下，重新构造布尔关系，来改善性能。例如，重排延时不同的逻辑单元的前后位置，以减少关键路径的延时；减少内部高翻转率（单位时间内电平变化次数）节点数量，从而降低动态功耗。

2.6 门级优化

输入重排：对于多输入逻辑门，将翻转率高的信号接到输入电容小的引脚，可以降低动态功耗

门的合并：将翻转率较高的逻辑门合并到输入门中，可缩短二者之间的互连线，从而降低功耗

门尺寸优化：缩小翻转率较高的门的尺寸，可通过减少节点电容来降低功耗，但延迟会有增加

2.7 针对建立-保持时间的策略

????????相对于布局布线后的网表，在综合出的网表中，路径的延迟总是偏短，故综合时应选择最慢情况来进行优化。因此

如可供综合选用的单元库有慢库（slow，延时最长Max，最坏情况WC（Worst Case））和快库（fast，延时最短Min，最好情况BC（Best Case）），则选用慢库
相对于保持时间（hold time），建立时间（set time）违例在综合时更容易出现，因此优化主要针对建立时间而非保持时间
综合时消除保持时间违例会让面积急剧增大，而这种违例往往在布局布线后自动消失，因此在综合阶段可暂不消除保持时间违例。

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