（微电子学与固体电子学专业论文）基于garfield的soc功耗估计与分析.pdf

摘要 作为微电子产业的第三次重大变革，s o c 设计正在飞速发展。随着s o c 规模的增大以及便携式电子产 品的普及，低功耗已经成为s o c 设计的重要目标，它影响着产品的可靠性、稳定性和使用时间，是提高产 品竞争力的重要因素之一。对集成电路i 搜计者来说，正确地理解和使用功耗分析方法，选择适当的功耗估 计和分析工具，是低功耗设计和成功达到预期功耗目标的必要条件。 本文依托a s i c 工程中心g a 血e l ds o c 平台，经过理论研究和实测验证，摸索出一套精确快速有效的 功耗估计流程，为g a m e l d 芯片设计提供了比较准确的功耗数据，帮助设计人员在设计前期改进设计以满 足功耗特性，缩短了产品设计周期。 在本文第一章中，叙述了当前s o c 低功耗的必要性，功耗估计方法的重要性，对本文所要进行的工作 平台进行了说明；第二章中首先概述了功耗估计的层次和功耗估计的方法，其次介绍了s y n o p s y s 工具计算 功耗的原理，最后详述了三种可行的功耗估计方法，分别给出了这三种方法应用于g a f f i e l d 的流程；第三 章中首先从g 蚰e l d 内部功能块中选取有代表性的l c d c 为试验对象，用三种方法分别计算l c d c 的功耗， 通过结果分析选出相对最优的门级功耗估计方法，然后利用门级方法比较g a 币e l d i 优化前后的功耗，得出 优化设计的效果；第四章中计算出了g a 而e l d 第二版g a r f i e l d i i 在四种模式以及各应用子系统下的功耗；第 五章对流片回来的芯片功耗进行实测，比较估计结果和实测结果，验证了功耗估计方法的精确性；结束语 中对论文的工作进行了总结，说明了本论文的不足之处，展望了功耗估计技术的发展。 关键词 s o c ，g a r f i e l d ，低功耗，功耗估计 a b s t r a c t s y s t e m - o n a - c h i pj st h et h i r dr e v o l u t i o no fm i c m - e l e c t r o n i ci n d u s t r ya n dt h ed e s i g no fs o ci sd e v e l o p i n g 珀p i d l 弘a l o n gw i t ht h es c a l e sg r o w i n ga n dp r e v a l e n c eo fp o r t a b i ep m d u c t ，l o wp o w e rh a sb e c o m ea i li m p o r t a n t g o a lo fs o cd e s i g n p o w e ra f f e c t s 廿l er e l i a b j l i t y s t a b i l i 吼u s a g et i m e ，a n di so n eo ft h em o s ti l n p o m 眦f a c t o ro f i m p r o v i n gp r o d u c t sc o m p e n 矗o na b i l i t ym a n yp o w e ro p t i i i l i z a t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e na p p e dt o l es o c d e s i g na n di t sn e c e s s a r yt 0e v a l u a t et h ee 疗b c to ft h o s et e c h n i q u e s i na d d i t i o n ，m a n ye n g i n e e r sh a v et om o d i f y t l i ed e s i g nd e t a i l st oa n df r o i no r d e rt om e e tt h ep o w e rg o a la ta l m o s tt 1 1 ee n do ft h ed e s i g n i n gc y c l e s oa n a c c u r a t ea n df a s tp o w e re s t i m a t i o nm e t h o di sn e e d e du 曙e n yt oh e l pt h ee n g i n e e fe s n m a t ea n do p 廿i n i z et h ec l l i p p o w e ri nt h ee a r l yd e s i g np e r i o d b a s e do nt l l eg a r f i e l ds o cp l a t f o 皿，as e to fp o w e re s t i m a t i o nn o wi se x p l o r e dt l l r o u g ht h e o i yr e s e a r c ha i l d p m c n c ep r o v i n gi n 廿l i sp a p e ln en o wo 旋r sa c c u r a t ep o w e rr e s u n so ft h eg a r f i e i dc h i p ，h e l p i n gt h ee n g i n e e r a c h i e v e 山ep o w e rg o a la n ds h o r t e n st h ed e s i g n i n gc y c l e p e r i o d i nt h i sp a p e lf i r s t l yi n t r o d u c e st h r e ep o w e r e s n m a d o nm e t h o d sa n dn o w s ，s e c o n d l yc h o o s et h eg a t e l e v e lm e t h o da sm eb e s tb yc o m p a r i n gt h e s et h r e e m e t h o d s ，t h i r d l ye s d m a t e sg a 布e l d i i sp o w e rf o rf o u rw o r k i n gm o d e sa n dt h r e ea p p 壮c 撕o ns u b s y s t e m a tt h e e n do ft l l i sp 叩e rt h ec h i pt a p e db a c kf r o mt h et s m cf o u n d a r yi st e s t e d ，p o w e rr e s u l ti sg i v e na i l dt 1 1 eg a t e l e v e l e s n m a t i o nm e t h o di sp r o v e dt oh a v eh j g hp f e c i s i o n k e y w o r d s o c ：g a r f i e l d ；l o wp o w e r ；p o w e re s 在m a d o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：题当日期：童盟；一 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：熟丘导师签名： 日 期：b 4 ，气、飞， 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 当今社会能源消耗已引起全球关注，节能是人类共同的心声，也是各个产业中非常重视的关键因素之 一。随着现代电子科学技术的日益发展，电子产品，特别是基于片上系统s o c 的便携式电子产品越来越广 泛地应用于人们的日常生活和工作中，因此s o c 芯片的功耗是一个关注的目标。很多电子产品的使用已经 体现了低功耗设计。例如手机显示屏在每次停止触摸按键后较短的几十秒内自动地降低亮度或者关闭显示 屏；文曲星助学器在空闲8 分钟以后就自动关闭，如果需要继续使用则需要启动电源键；万用表在没有信 号输入后特定长度的时问后也会自动关闭；计算机的休眠模式能够暂时关闭显示器和一些芯片，节省功耗： 很多工业仪表已经由原先的2 2 0 v 或3 3 0 v 供电变为电池供电：居民宿舍楼楼道的路灯采用声控或者光控， 当有人路过时才会开启。所以，降低功耗节约能源的电子设计在生活中随处可见。而s o c 芯片的低功耗设 计不仅仅能够节约能源，同时还具有其他很多优点： 1 s o c 低功耗设计符合现代节约能源潮流的要求。以上所述的诸多实例证明了s o c 芯片的低功耗技 术能够有效的控制产品，降低功耗，节约能源； 2 低功耗设计延长了产品的可持续使用时间，方便用户，提高了产品的市场竞争力。很多厂商很注 重m c u 、s o c 的低功耗问题，日本制造m c u 、s o c 的时间在美国之后。开始是生产与美国兼容的芯片， 但很快在低功耗方面做得很出色，市场竞争力很高，涌现了很多世界级的高科技企业，如索尼、n e c 、东 芝、松下、三洋等，他们提出绿色电器绿色环保，在数码相机、便携m p 3 播放器、笔记本等消费类电子 产品中占据了全球相当大的市场份额。 3 s o c 低功耗设计一般可大大提高产品的使用寿命，降低维护费用。例如从功耗的公式可以看出， 功耗与电压的平方成正比，所以降低电压是降低功耗的有效途径之一，使用低电压工作降低功耗，可以增 强器件的可靠性，减少芯片散发的热量，减缓电路的老化，从而提高产品的使用寿命。 4 s o c 低功耗设计可以延长电池的使用寿命，大大减少废旧电池对生态环境的污染，有利于保护自 然生态环境。 5 芯片的低功耗设计便于解决干扰问题。在数字逻辑电路中，如果干扰信号的电平超过逻辑元件的 噪声容限电平，会导致器件发生误操作、系统工作紊乱。如果数字电路在高压电源附近工作，高压电源之 间的串扰往往难以克服，那么数字电路的稳定性和可靠性会降低，而如果芯片采用低电压低功耗设计，采 用电池供电，那么干扰大大减少，从而增强了芯片的抗干扰性能。 首先，由上述可以看出，s o c 低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，已经得到足够的重视。 如今的市场要求芯片功耗必须很快的减少，但是由于满足功耗设计需要的自动化软件发展比较缓慢，设计 人员不得不在设计后期反复重新设计以满足功耗特性，使得产品设计周期延长，推迟上市时间。为使功耗 设计能融入设计方法学，使得设计者在考虑功能、延迟、面积等因素的同时，也能够同时进行功耗方面的 分析权衡，尽早地评估出功耗，根据芯片指标来指导和改进芯片的设计，缩短上市时间，快速、精确、早 期、有效的功耗分析和估计方法必须在设计的各个层次上得到发展。 其次，s o c 低功耗设计技术纷繁复杂，几乎芯片设计的方方面面都有低功耗设计的技巧。例如系统级 的定义和划分、功耗管理模块、低功耗指令集的选取，结构级的总线低功耗方法、c a c h e 的配置和选取， 微结构级的l a t c h 的选用、异步时钟电路的设计，版图级的缩小芯片面积、缩短互连线长度，这些都是可 能降低s o c 芯片功耗的方法。如何知道这些方法是否有效地降低了芯片的功耗，就需要一套比较精确的功 耗分析和估计技术。掌握一套精确有效的功耗评估方法，有利于设计人员及时了解改动引起的功耗变化， 有利于采用功耗较优的设计细节，兼顾功能的正确和功耗的优化。 综上所述，s o c 功耗估计和分析技术非常重要，需要具有精确、快速的特点，是功耗优化的前提，是 第一章绪论 缩短设计周期、降低设计成本、提高产品竞争力的关键因素之一。 1 2 功耗估计平台简介 本课题依托工程中心项目“1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微控制器g a r f j e l d ”( 以下简称g 椭e l d ) ，在项目中 实现课题的各项内容。g a m e l d 面向中低端手持设各和其它通用嵌入式设备，采用a r m 7 t d m i 作为处理 器内核( c p uc o r e ) ，采用a m b a 总线构架。g a r f i e l d 微处理器是一个非常复杂的系统，其中包括以下外 设模块：m e m o r y c o n 廿o l l e r 、内置p l l 、功耗控制模块( p o w e r m a n a g e r u n i t ) 、u s b 客户端控制器、d m a 控制器、多媒体加速器( m u l t i r n e d i aa c c e k n t o r ) 、l c d 控制器、a c 9 7 音频接口、s p i ( s e r i a lp e r i d h e r a l i n 确如c e ) 、u a r l ( u n i v e r s a la s y i l c h r o n o u sr e c e i v e r 厂i b n s n t t e r ) 、g p l ( g e n e r a lp l l r d o s et i m e r s ) 、r t c ( r e a l i n e r c o n t r o l l e r ) 、中断控制器( i n t e f m p t c o n t r o l l e r ) 、g p i o ( g e n e r a lp u r p o s e i o ) 等。芯片主频软可配， 片上p l l 支持芯片最高主频7 5 m | z ，支持低功耗模式，共有四种功耗模式可供切换，所有外围模块可单独 关闭时钟。系统架构如下图l 所示 i n t c p m u r t c 冈同 嗣 g p t ( 4 ) l - = 一l _ 一孑 一 g p w m ( 2 )】l p 1s p 【 皇，：搿：? 亳k a h b _ 。：；。 0 一| | l = = 二 u a r t ( 2 ) i r d a 广_ 玉z 广_ 土三 u s b l 叫叫 c l i e n t c a c 9 7 图1g a r f i e l d 系统架构框图 采用的e d a 工具是s y n o p s y s 公司的v c s 、d e s i g n c o m p i l e r 、p o w e r c o m p i l e r 等仿真综合工具。 针对精确且快速的功耗估计方法的日益需求，本课题将借助g a r f i e l d 平台和s y i l o p s y se d a 工具，从 多个层次估计g a r f i e l d 芯片的功耗，各层次相互验证功耗结果的准确性，并对t 印eo u t 后的芯片的进行功 耗实测，实现一套比较准确的功耗估计流程。 1 3 本论文的主要工作和意义 在超大规模集成电路( v l s i ) 设计中，深亚微米技术的应用、芯片集成度的不断提高以及系统工作频率 的加快，均导致了集成电路的功耗越来越大。而功耗的增大，一方面影响了依赖电池供电的便携式设备的 使用，另一方面芯片的过热也使系统的可靠性降低。这使得低功耗设计技术日益成为v l s i 设计者关注的 热点。美国半导体工业联合会在1 9 9 2 年己确认低功耗技术是今后集成电路设计的一个紧急技术需要。 对集成电路设计者来说，正确地理解和使用功耗分析方法，选择适当的功耗估计和分析工具，是低功 第一章绪论 耗设计和成功达到预期功耗目标的必要条件。但由于满足功耗设计需要的自动化软件发展太慢，设计者不 得不在设计后期反复重新设计以满足功耗特性，使得产品设计周期延长，推迟上市时间。所以精确、快速 的功耗估计方法需求紧迫。基于这样的需求，本文将依托g a m e l ds o c 平台，摸索出一套功耗估计流程， 为s o c 芯片设计提供比较准确的功耗数据。 本课题的内容包括以下几个方面： 1 阐述寄存器传输级( i l ) 、门级( g a t e ) 、晶体管级( t r a n s i s t o r ) 等层次上功耗估计方法的概念； 2 以l c d c 模块为对象，在各层次上利用仿真的方法估计l c d c 的功耗，比较各个层次的功耗结果， 考虑精度和速度等因素选取最优的估计方法； 3 根据功耗估计结果，提出低功耗设计建议，并比较功耗优化前后的结果，确定功耗优化的效果； 4 利用内容2 中选定的方法计算g a r f i e l d 芯片各个工作模式和应用子系统的功耗； 5 将内容4 中估计出的功耗与芯片实测功耗比较，分析估计方法的精确度。 本论文的意义在于：有了精确的芯片功耗，设计人员可以根据是否达到预期的功耗要求，而相应的改 变设计细节甚至采用新的s o c 系统方案；g a 埔e l d 面向p d a 等中低端手持设各，精确的估计出功耗对产品 的使用时间有清楚的认识，有助于产品开发和应用；本课题实践出一套功耗估计流程，设计人员通过分析， 可以认识到前端逻辑设计与后端物理设计的密切联系，从而在前端逻辑设计中就能充分理解逻辑设计对物 理设计的影响，丰富工程中心在低功耗设计方面的经验，减少修改往复，减短设计时间，缩短上市时间。 1 4 本论文的结构 在本文的第一章中，叙述了当前s o c 的低功耗需求，引出了可靠的功耗估计方法的重要性，对本文所 要进行的工作平台进行了说明；第二章中首先概述了功耗估计的层次和方法，其次介绍了s y n o p s y s 的p 0 w e r c o m p i l e r 工具计算功耗的原理，最后详述了三种可行的功耗估计方法，分别给出了这三种方法应用于 g a r f i e l d 的命令流程；第三章中首先通过比较g a m e l d 内部功能块的规模大小，选取l c d c 作为三种方法 进行功耗估计的对象，利用三种结果选出相对最优的功耗估计方法，其次利用这个方法计算出优化前后的 功耗，得出优化设计的效果；第四章中计算出g a 币e l d 第二版g 椭e l d i i 在四种模式下的功耗，以及l c d 应用子系统、一般存储子系统下的功耗；第五章中对t a p eo u t 回来的芯片进行实测，比较估计结果和实测 结果，验证了功耗估计方法的精确性：结束语中对论文的工作进行了总结，说明了本论文的不足之处，展 望了功耗估计技术的发展。 本论文力求以浅显易懂的语言，深入浅出的描述，通过以上工作，实践出一套可行的快速精确的功耗 估计流程。 第二章可行的三种功耗估计技术 2 1 功耗组成 第二章可行的三种功耗估计技术 在c m o s 工艺中，主要有四种功耗因素，即：信号变化时，电路电容充放电功耗；信号有限的上升和 下降时问引起的短路电流；结反偏时的漏电流和次开启电导；在某些逻辑类型( 如伪n m o s 管) 中存在静态 偏置功耗。下面依次说明： 1 充放电功耗 充放电功耗是指当c m o s 电路的输出端电平发生变化时，此输出端的所有电容充放电所消耗的功耗， 功耗大小正比于总的容性负载。 以c m o s 反相器为例，如图2 所示，c 是寄生电容和负载电容的总和，包括后继门的输入门电容、互 连电容和反相器源漏区的电容三种类型的电容。深亚微米工艺中，门的尺寸按比例缩小，互连电容起主要 作用。假设输入信号的翻转概率为o ( 也称为信号活性) ，电路的时钟频率为f 则电路功耗可粗略地估计为 c v 2 d d f q 。 确d 图2c m o s 反相器 动态充放电功耗在c m o s 电路中起决定作用，大约占全部功耗的7 0 到9 0 ，因此，低功耗分析研 究的主要重点就在于准确地估计信号活性和节点的电容。信号活性n 是功耗估计和分析中晟重要的参数。 2 短路电流功耗 理想的c m o s 电路的晶体管改变状态不需要时间，不存在从电源到地的通道。实际上，当输入门的上 升，下降时间大于输出的上升，下降时间时，将可能存在从电源到地的短路电流。如果n 型m o s 管的开启 电压是、1 。，p 型m o s 管的开启电压是v t p ，则当v t 。 v m l - b 2 s a 计一o u t p u tf o r w a r d s a 计l y p i c a l d b l _ b 2 s a i f 和r t l 2 s a 命令生成的f o n a r d - a n n o l a l i o n 文件不一样。由胁2 s a i f 命令生成的s a l f 文件包含 了来自工艺库的各个单元的状态相关( s t a l ed e p e n d e n c e ) 与路径相关( p a t hd e p e n d e n c e ) 的信息。如果工艺 库将上升变换和下降变换的功耗查找表分开，则这个f o r v v a r d _ a n n o t a n 也包括上升和下降变换的信息。 这个文件只适合用于门级( g a l e i e v e i ) 网表的仿真。由 1 2 s a ”命令生成的sa i f 文件包含一些提示信息，这 些信息用于r t l 仿真时监控综合常量单元( s y n t h e s i s i - i n v a r l a n le i e m e n l ) 的活动性，这个s a l f 文件只适用 于r t l 级仿真。 3 修改g a n i e l d 的t e s l b e n c h 文件l e s t v ，添加几条命令如下面的斜体语句； l i m e s c a l e1n s 1o d s m o d u l et e s t ( ) ： i n i t i a l b e g i n $ r e a d - | | b - s a ”f 。幻n 帕n s a i f l | ) ；i 犊选s 确文件 $ s e f - f 0 鲴e - 旧们n f f e s t l l g a 施删i ，设定活性记录范围 甜凹g es 招州) j ，开始记录活性 # 5 0 0 0 0 0 ：可以修改仿真时间长短 $ t o g g t e _ s l o p i ) ：| 活性记录停止 $ t o g g t e r e p o n ( “b a c k w a r a s a 酽1 o e 一9 。t e s i u g a n i e l d “) ： ，产生活性输出文件b a c k w a r d s a i f ，并指定输出的模块名 1 2 第二章可行的三种功耗估计技术 # 10 0 $ f i n i s h ： e n d 4 用v c s 进行仿真产生b a c k w a r d 咱n n o t a t i o n 文件b a c k w a r d s a 汁，v c s 命令内容如下： v c s 调用v c s 命令 - pv p a w e | l a b1 b v p o w e r a 代入功耗模型文件v p o w e r l a b 和l 的v p o w e r a + n o t i m n g c h e c k - m u p d a t e - r - pp t a b ，其他选项 - l d f l a g s “l $ m g l i b ) s y n o p s y s v c s v er l o g ”- i m g m m p p + a c c + d e f i n e + a r m 7 t d m i a r m 7i i c e n s e 调用 - f 俐e l i s tc i g e n 骱a 1 v ，d e s j g n 文件和t s m c 2 5 库列表 其中，f e l i s t 文件是仿真有关的文件列表； 5 建立d e s i g nc o m p e r 的运行环境，设置好s y n o p s y s _ d c s e t u p 文件； 6 执行脚本文件p c s c r 进行动态功耗评估： d cs h e i n c i u d ed c s c r 脚本文件p c s c r 的内容为： r e a d _ v e m o gc t g en f j 腑j v 读入门级网表 c u r r e n t d e s i g ng a m e l d i i n k ， 卖入活动性标注文件b a c k w a r d s a i f ，并指定所要标注的模块名t e s t ，u g a r f i e i d r e a d s a 计- i n p u tb a c k w a r d s a 计- i n s t a n c et e 州u g a m e l d u n 洼n s - s c a i e1 报告功耗，设置报表列出纵向3 个层次的单元功耗， r e p o n - p o w e 卜h i e 卜n e t - c e - a n a i y s i s _ e 竹o r ti o w - v e r b o s e h i e r _ l e v e l3 r e p o n a u i t 7 打开功耗评估报表r e p o r c 查看整体功耗及各个模块的功耗。详细命令运用可以查看s o l d 中关于 v c s 、d c 的帮助。 2 3 5 晶体管级功耗估计流程 晶体管级功耗估计的对象是晶体管级的s p i c e 网表，采用仿真的方法，利用数模混合仿真工具 n a n o s i m 。以g a m e i d 为例，功耗估计的流程为： 1 用s e 布局布线以后，导出g d s 2 格式的版图信息g a 闱e g d s 2 ，此文件不包括底层单元的版图信息： 2 编写c d s i b 文件，里面定义了参考库t p z 8 7 3 n e z 、t s m c 2 5 、g a r f i e i d 的链接。并且准各好工艺文件 o 2 5 u m l v j n u o s 0 4 4 m 显示文件d i s p i a y d r f 、版i 虱层次文件0 p u s m a p 和字体文件f o n t m a p 。敲入i c f b ， 进入工具i c f b ，利用f e 一 i m p o r l - s l r e a ml n 命令，读入步骤1 导出的g a 川e g d s 2 文件，填写相应的 版图层次文件和字体文件选项，生成层次化的g a r f i e i d 版图。用v i r t u o s o 打开g a r f i e i dc e 可以看见所有 电路单元的版图，用p n 层对所有的p a d 标注名字，以便于下面的步骤中d 阳c u i a 能根据p a d 的名字提 取电路。 3 利用工具l c f b 的f e - e x p o r t - s i r e a mo u l 命令，导出g a m e | dc e 的版图信息文件g a r f i e u g d s 。 注意，这里的g d s 文件和步骤1 的g a r f f e | d g d s 2 内容不一样，前者包含所有底层单元的版图信息，而后者 不包含底层单元的版图信息。 4 准备l v s 需要的文件，g a 阿i e l d h c e 、p a d c d l 、d i g i l a l ，c d i 、m m a e s m m c d i 、s m m 5 k c d i 、a n a i o g c d i 、 p o w e l c d i 、t s m c 2 5 c d l 、t p z 8 7 3 n e z c d l 和g a r f i e l d v 。其中，g a r f i e i d h c e 是g a r f i e l d 内部不可见i p 的模 块名，包括a r m 7 t d m i 、模拟p l l 和模拟p a d ；p a d c d i 、d i g i t a i c d i 、a n a i o g c d l 分别是模拟p a d 、a r n l 7 t d m i 、 u p l l 0 0 0 6 2 5 0 的c d l 网表，但仅仅含有接口说明，不含有内部电路，是空匣子；m m a e s 限m c d i 、 s r a m 5 k c d l 、p o w e l c d i 、t s m c 2 5 c d l 、t p z 8 7 3 n e z c d l 分别是各个单元的c d i 网表。 第二章可行的三种功耗估计技术 先做l v s ，步骤如下： 敲l o g l v s 进入d r a c u i a 电路编泽器，然后执行下面的命令： t 开a n s i s t o r5 0 0 0 0 0 0设定虚拟内存大小 h t v生成d r a c u i a 交互文件 d x f生成e x p e l e l i s 文件 c a s e，区分大小写 c e l b o x q a r n e i d h c e ，编译h c e 文件 c i r c d i ，d a d c d l c i r c d 惝i a n a l c d l c i r c d m l m ae s r a m c d i c l r c d i s r a m 5 k c d i c i r 一c d i ，a n a i o a c d i c i r c d i ，d o w e l c d l c l r 一c d i t s m c 2 5 c d l c i r c d l l d z 8 7 3 n e z c d i，编译c d i 格式的网表 v e r 一l o g ，g a 川e v，编译v e r o g 格式的网表 u n k，扩展逻辑 c o n将逻辑网表转换成x t r 文件 x退出 退出电路编译器后，敲p d r a c u l a 进入d m c u l a ，执行下面的命令： ：g i v s c o m m a n d j i l e读取i v s 命令文件 ：，f生成u n i x 可执行文件i x r u n + ，并退出 执行j x r u n c o m 或者n x s u b c o m ，运行后查看l v s 报表。如果有错误则检查并修改错误，重复 以上步骤，直到l v s 通过。 l v s 通过以后，再做l p e ，提取s p l c e 网表，步骤如下： 敲p d r a c u l a 进入d r a c u l a ，执行下面的命令： ：gi p e - c o m m a n d j i l e，读取l p e 命令文件 ：f，生成u n i x 可执行文件j x n j n + ，并退出 执行力x r u n c o m 或者以x s u b c o m ，运行后则会生成g a r f i e i d 的s p l c e 网表g a r f i e s p 。 5 用v e r i l o g 写一个g a 川e l d 的t e s t b e n c h ，其中例化了g a n i e i d ，再创建一个g a n i e l d 接口信号的空壳子 w r a p p e l v ，准备好t s m c 的s p i c e 模型文件i o g i c 0 2 5 1 ，然后运行v c s 仿真脚本r u n f ，即可仿真并得出 功耗。脚本n j n f 的内容为： v c s - r - m u p d a t e - p pw r a p p e l vt e s t v + a d = m y s e t u p i n i l 其中，+ a d = m y _ s e t u p i n t 选项就是调用v c s 初始化文件m y _ s e t u p i n i t ，这个文件的内容是： p a n i t i o n - c e g a r f i e l d ； c h o o s en a n o s i m - n s p i c eg a m e l d s p - cc f g oo u t p u t ，r p t ： 调用m y _ s e l u pi n n 的目的就是将g a r f i e l d 从仿真对象中分离开来，选择n a n o s i m 对g a 币e i d 仿真，仿 真过程中调用n a n o s i m 的配置文件c f g ，文件c f g 的内容为： pr i n l n o d e v + p r i n l n o d e l p r i n l n o d e j 。 r e p o n _ - b i o c k _ p o w e rg a n i e i dt r a c k _ p o w e r - 1 r e p o n n o d e p o w r v d dv s s 1 4 ，输出所有节点的模拟电压 ，输出所有节点的数字电压 ，输出所有节点的电流值 ，报告g a r f i e i d 的功耗 ，报告v d d 和v s s 节点的功耗 第二章可行的三种功耗估计技术 6 查看o u t p u t 目录下的l o g 文件中的功耗信息。 2 4 小结 本章首先介绍了s o c 芯片的功耗组成，然后概述了功耗估计的四个层次，以及仿真和非仿真的两大类 功耗估计方法，最后从中选择了三种具体的功耗估计技术，分别叙述了它们的功耗计算原理和流程。 第三章基于g a 币c j d 的功耗评估与优化 第三章基于g a r f i e l d 的功耗评估与优化 3 1g a m e l d 功耗估计技术的确定 3 1 1 选择l c d c 模块为试验对象 由第二章可知，本文可以通过三种不同层次的方法估计功耗，但是这几个层次的精度和准确度还没有 定量的认识，三种方法对于g a m e l d 是否具有可行性也需要验证。所以，本文确定g a r f i e l d 功耗估计方案 的策略就是三种方法相互比较和验证，从中选取最佳的或者晟折衷的方法作为g a r f i e l d 最终的功耗测试方 案。 确定功耗估计技术应该选取g a r f i e l d 中的规模比较大的具有代表性的模块为试验对象。因此，用 r e p o r t _ a r e a 命令报出g a r f i e l d b o d y 下各个模块的规模，见表3 1 ： 表3 1g a m e l d b o d y 各主要模块的面积大小和门数 模块名面积 门数( 门)逻辑门百分比( ) 备注 g a r f i e l d b o d y 9 7 6 6 4 1 6 05 7 4 5 0 01 0 0 u s b d1 0 5 6 2 9 1 86 2 2 0 01 0 8， l c d j o p 4 8 3 5 5 7 。72 8 5 0 04 9 6， e i i l l j 叩 4 7 9 8 7 7 12 8 3 0 04 9 3， d l n a c t o p 4 1 6 4 9 4 12 4 5 0 04 2 6， g o r p l t o p 3 5 2 4 5 4 42 0 8 0 03 6 2 ， m m t t o p 2 8 5 7 3 6 31 6 8 0 02 9 2， d w a h b 2 2 9 3 1 1 31 3 ，5 0 02 3 5， a c 9 7 j o p 1 8 4 3 6 6 0l o 9 0 01 9 0， u a n j o p 1 2 3 4 1 3 。77 - 3 0 01 2 7， d w a p b 1 1 2 3 8 3 36 6 0 01 1 5， r t c j 0 d 1 0 0 5 1 7 75 9 0 01 0 3 ， s p i t o p 9 7 5 8 0 15 8 0 01 0 l i c t l8 9 3 7 2 15 - 3 0 0o 9 2 p m j o p 5 7 4 5 6 03 4 0 00 5 6， a 7 t d m i4 2 8 0 2 52 6 0 00 4 5， m m a - t o p 1 2 8 3 7 1 8 o， 含有e s m m i p e s r a l t o p 4 0 9 3 3 3 47 ，含有e s r a m i p 由表可知，e s m r n _ t o p 和m m a - t o p 是g a r f i e i d b o d y 中最大的两个模块，这两个模块所占的面积比例超过 了g a m e l d b o d y 面积的5 0 ，但是，e s r a r n - t o p 和m m a _ t o p 模块内部分别嵌入了4 个5 k 和1 个2 k 的e s m m i p 硬核。由表3 - 2 可知，所有e s r a m i p 硬核面积大约为4 6 8 m m 2 ，而g a m e l d b o d y 和队d 的总面积为2 5 i l l f n 2 ， 所以e s m n l _ t o p 和m m a j o p 的面积虽然很大，但除i p 外的综合出来的逻辑门数并不达到5 0 。并且由于 内嵌了e s r a mi p ，内部的电路无法得知，而本文的功耗估计方法无法估计出i p 的功耗，所以，不宜采用这 两个模块作为功耗估计的试验对象。 1 6 第三章基于g a 币e l d 的功耗评估与优化 表3 2 内嵌e s r a m 尺寸 模块名 内嵌e s r a m 名称 e s r a m 个数每块e s r a m 的尺寸所有e s r a r n 口核面积 e s r a r n - t o p s r a m 5 k41 5 2 6 u m 6 1 6 8 2 u m3 7 7 m m m m a - t 叩 t m ae s r a mi 1 2 0 9 u m 7 5 2 2 7 u m 0 9 l m m 2 l c d c 模块门数大约为2 8 5 千门，逻辑门数目约占g a m e l d b o d y 逻辑门的49 6 ，规模较大。同时l c d c 是重要的功能模块，是1 c d 显示系统的核心，所以，l c d c 具有很强的代表性，本节选取l c d c 为试验对 象，试验三种估计方法的精确度和可行性，以确定对g a m e l d 最终的功耗估计方法。 3 1 2 由l c d c 功耗结果选定门级估计方法 建立单独例化l c d c 的测试平台，设定工作时钟为5 0 m h z ，运行时间为1 0 0 0 0 0 0 n s ，则三种功耗估计 的结果如表3 3 所示： 表3 3l c d c 模块功耗计算结果 r t l 级 f 一级晶体管级 模块名 功耗( m w )百分比( ) 功耗( m w )百分比( )功耗( m w ) l c d j o p 3 2 7 3 4 61 0 0 o2 8 1 2 5l o o o2 6 5 2 ua h bm a s t e r1 1 6 10 41 6 6 15 9 ua h bs l a v e3 0 8 4o 94 2 9 91 5 3， u p a n e l i n f 0 1 6 5 o 10 3 1 7 1 1 u6 f 0 2 3 1 5 41 o4 8 2 0 1 7 1， uf i f o l6 1 5 6199 0 8 63 2 3， u _ t o k p r o o 1 1 2 6o 31 6 1 45 ，7， 计算时间( 分钟) 5 21 32 1 4 由于s p i