面向SoC 開發的一致性時鐘信息管理方案

劉 斌，虞小鵬，譚年熊

（1.浙江大學微納電子學院，浙江杭州 310000；2.西安路科驗視集成電路技術咨詢有限公司，陜西西安 710000）

在常規芯片開發流程中，時鐘信息來源于系統工程師（System Engineer，SE），包含時鐘樹[1]和時鐘頻率。核心時鐘信息一般會采用Excel 表格形式進行人工維護。接下來該表格信息交由設計工程師（Design Engineer，DE），他們根據時鐘信息來實現設計，并進一步細化時鐘表格內的信息。DE 在填充更多時鐘信息后，將其交由驗證工程師（Verification Engineer，VE）和后端工程師（Backend Engineer，BE）。最終，不同模塊、子系統的時鐘信息會合并在一起用來描述整個系統的時鐘信息。在這一過程中，不同時鐘信息來源、不同時鐘信息的維護角色的合作可能會增加時鐘信息出現錯誤的可能性，同時在系統級和子系統級之間的時鐘信息不匹配也會帶來物理實現時的時序集成風險[2]。

在具備了時鐘信息一致性管理的方案以后，就可以實現中心化的時鐘信息存儲、集成和提取[3]，該方案基于Python、Tkinter[4]和Graphviz[5]實現。時鐘信息一致性管理方案由SE 和DE 共同維護，而VE、BE和DFT（Design For Test）工程角色均可以從時鐘信息中提取并生成準確的時鐘信息腳本，用于不同的工具流程。

1 時鐘表格和一致性數據

要解決時鐘數據的一致性，就需要提供一種新的定制化方案，不但需要中心化地存儲時鐘數據，也需要滿足各種數據信息的提取需求，這一方案取名為ClockManager（CM）。采用CM 對時鐘信息管理時，SE 一般會采用Excel 格式存儲、編輯時鐘信息，由CM 將其提取為各個設計部分的時鐘信息，接下來DE 會基于CM 來修改時鐘信息。同時CM 也會基于SE 初始提供的時鐘信息與DE 做過編輯改動的時鐘信息做比較，以確保在SE 和DE 編輯的時鐘信息的一致性[6]。

一旦各個模塊和子系統的時鐘信息一致性得到保證，則頂層系統DE 就會將各個設計部分的時鐘信息組織在一起，繼而合并構建為完整的系統級時鐘信息數據，也可以由此生成一個完整的覆蓋系統全部時鐘信息的表格。在此之后，SE、DE、VE、BE 和DFT 都可以從CM 提取時鐘數據，快速生成與時鐘有關的腳本信息[7]。CM 合并系統時鐘信息表如圖1所示。

圖1 CM合并系統時鐘信息表

CM 工具用戶可以基于表格信息提取時鐘信息，并將時鐘信息顯示在圖形用戶界面（Graphic User Interface，GUI）。CM GUI 編輯窗口可以對時鐘信息做出多種編輯、比較、核對和導出功能：

1）可以將不同時鐘組按照不同顏色組顯示。

2）可以在導入或導出時鐘信息時做時鐘信息一致性檢查。

3）會對當前導入編輯的時鐘信息庫做總結，例如時鐘數目、PLL 數目等。

4）會對時鐘樹結構的源時鐘和子一級時鐘做圖形顯示。

5）可以對時鐘源和時鐘序列做快捷跟蹤，以便梳理特定時鐘的時鐘信息，獲得其父一級時鐘和子一級時鐘，如圖2 所示。

圖2 CM GUI中的時鐘樹界面

6）可以快速查找到目標時鐘。

7）可以查詢詳細的時鐘編寫日志。

8）可以將不同版本的時鐘信息表進行對比。

9）VE、BE 和DFT 可以提取方便的時鐘信息腳本用于不同的工具。

在SE 提供給CM 的時鐘信息Excel 表格中往往只包含非常有限的信息，例如時鐘源數目、頻率要求和時鐘關系。在CM 導入這些信息交由DE 編輯后，時鐘信息會逐漸豐富起來，它們包含以下信息：

1）時鐘名稱：在全局的時鐘信息中具有時鐘名稱的唯一性。

2）時鐘類型：用來表明時鐘是否為PLL 源時鐘、分頻時鐘、門控時鐘或者管腳接入時鐘等。

3）頻率：即時鐘對應的頻率，在某些情況下，不同電壓設定也會設定不同的時鐘頻率。

4）時鐘源：用來指明產生當前時鐘的時鐘源。

5）分頻數：用來表明當前時鐘與時鐘源的分頻關系。

6）波形：用來指導后端設定時鐘的占空比。

7）所屬布局：用來指明當前時鐘所屬的物理實現布局塊。

8）同步關系：用來定義某些時鐘組，在同一時鐘組的時鐘會視為同步關系。

9）掃描時鐘映射：芯片系統需要若干測試掃描時鐘。

10）實例名：由時鐘所處的結構層次和時鐘名稱共同構成，用來指向系統中的時鐘路徑。

1.1 時鐘信息表合并

SE 先編輯基礎的時鐘信息，而后會由DE 擴展編輯這些時鐘信息。子系統DE 和系統DE 會在最后將其編輯的時鐘信息表交由CM，由它完成時鐘信息的合并。例如可以將頂層時鐘信息表與子一級時鐘信息表完成合并，生成了合并后的系統時鐘信息表[8]。

1.2 時鐘信息表分析

在CM 首次導入某一個時鐘信息表（Excel 格式）時，會同時完成時鐘數據源的提取和數據庫的建立。在提取時鐘數據時，CM 既會就原有時鐘數據做檢查，也會將提取的數據做格式規范化[9]。在提取時鐘數據時，會對整體時鐘數據作報告，包括具體的時鐘信息以及任何可能違反時鐘數據要求的信息。例如在圖3 中對導入的某個子系統的時鐘信息做總結報告，其含有同步時鐘組信息、時鐘源信息、各個時鐘的類型信息以及可能的時鐘信息違例。

圖3 時鐘信息的一致性檢查

以上所報告的時鐘信息總結有助于CM 用戶掌握目標系統的全局時鐘信息。其后，用戶可以將CM中的時鐘信息導出到CSV 或者Excel 表格。用戶也可以稍后繼續通過CM 或者Excel 編輯導出的時鐘信息表。在CM 導入時鐘信息數據后，建議繼續使用該工具做后續編輯和查看。CM 就時鐘信息提供了多種常規操作，可以對某個時鐘信息項完成創建、克隆、編輯等操作。

在編輯時鐘信息項時，彈出的編輯界面可以顯示該時鐘信息項的詳細屬性。用戶可以對其參數進行修改，在保存信息時CM 仍然會對該時鐘信息做時鐘信息規則檢查。如果有信息違例的情況存在，則在對話窗口會彈出警告信息和詳細的違例解釋。時鐘信息項的參數編輯界面如圖4 所示。

圖4 時鐘信息項的參數編輯界面

1.3 時鐘信息智能編輯

在CM 完成了初始的時鐘信息導入、分析和規范化以后，全部的時鐘信息就會被存入CM 內部的格式化時鐘數據庫中。在掌握了每一個時鐘項的父時鐘和子時鐘后，便可以產生時鐘樹結構圖。時鐘樹結構圖有助于用戶更好地理解時鐘的組織，并且對時鐘樹上的時鐘進行編輯。

CM 的另一個編輯功能是在用戶編輯時鐘時做若干項時鐘規則檢查，并且對于一些時鐘信息做出自動修正[10]。這些時鐘規則和信息修正包括：

1）檢查時鐘項編輯是否有效，并伴隨時鐘信息一致性檢查。

2）如果當前時鐘項編輯有效，則會自動編輯其他可能會受影響的時鐘。例如父時鐘A 從400 MHz降低為了200 MHz，則它的子時鐘B 和C 的頻率也會自動從200 MHz 降低為100 MHz。

3）如果對時鐘樹結構添加或者移除了某些時鐘，例如將時鐘A 的父時鐘從時鐘B 修改為時鐘C，則在用戶刷新了時鐘列表后，時鐘樹結構也將得到重新排序。

4）一旦時鐘樹結構發生變化，在用戶刷新了時鐘樹結構以后，CM 也會刷新其內部的時鐘信息數據庫，并對時鐘信息項做重新排列。為了更好地分辨不同的時鐘組，CM 會為其自動設定不同的顏色以用來識別時鐘組信息。

1.4 時鐘信息編輯歷史

對于時鐘信息表的編輯，有時需要對兩個版本的時鐘信息進行比較。采用CM 可以跟蹤時鐘信息的編輯歷史。從圖5 看到，可以對兩個時鐘信息表做比較，并給出分類的比較信息。詳細的比較信息可以報告哪些時鐘項的參數發生變化、哪些時鐘項被移除和添加。這一特性可以方便地追蹤時鐘信息，即便時鐘信息表由多位DE 維護，也可以利用該特性梳理在不同時鐘信息表版本的編輯歷史。

2 時鐘信息提取過程

在CM 將不同設計部分的時鐘信息導入、合并在一起后，便可以使用CM 的統一時鐘信息為芯片開發過程的多個流程生成所需要的時鐘信息輸出。例如，CM 可以產生用來完成CDC 檢查的腳本、用來做STA 流程的腳本、用來設定時鐘頻率的驗證配置等[11]。CM 支持命令行模式和GUI 模式，幫助用戶產生所需要的文件。

2.1 面向設計提取的CDC腳本

在CM 將多個設計部分的時鐘信息提取之后，就可以利用中心化的規范時鐘信息為不同的功能組產生所需要的腳本。CM 提供易用的用戶編程接口（Application Programming Interface，API），用戶可以利用這些接口來產生所需要的腳本。為CDC 做檢查的Spyglass 工具支持的腳本格式和模板可以由DE 獨立開發，而后由CM 結合開發的模板文件，即可從時鐘信息數據中產生所需要的腳本[12]。

如果缺少自動化的CM 提取流程，以往在CDC流程中，DE 往往需要就時鐘有關配置文件做逐一檢查。而在CM 提取流程引入之后，一致性的時鐘信息會盡可能避免人為引入的錯誤。

2.2 面向驗證提取的時鐘頻率

在芯片驗證過程中，對時鐘頻率的配置和檢查也是一項必要的工作，繼而保證在子系統或者系統驗證中，各個時鐘輸入以及時鐘之間的同步關系是正確配置的。否則，一些異步時序處理不恰當的地方可能會在仿真過程中被遺漏。以往在驗證過程中人為完成的時鐘設定和檢查也會有出錯的風險[13]。VE 利用CM 的一致性時鐘信息，在準備了定制化的Python 腳本和模板文件后，就可以產生用來做時鐘頻率配置和檢查的測試序列（C 或者UVM 格式）。

2.3 面向后端提取的STA腳本

CM 的一致性時鐘信息也可以用來為BE 的后端流程工具（Design Compiler，DC）STA 和其他工具生成準確的時鐘信息腳本。一旦能夠確保時鐘信息的準確性，則BE 將會對CM 工具產生依賴。在生成DC工具流程腳本時，每一個時鐘項的信息不僅要準確，還需要保證與其父時鐘、子時鐘的信息均保持信息一致。因為如果有兩個時鐘之間的異步信息沒有被描述準確，則產生的時鐘腳本信息很有可能會對某些本應該完成同步處理的設計區域遺留盲區。一個典型的SoC 時鐘數據庫需要產生上百個類似的后端腳本，它們之間需要在時鐘信息發生添加或者更新后，也能夠完成及時的、準確的信息更新和文件結構組織[14]。CM 已經在多個芯片項目中得到推廣，并且不再需要在為后端生成腳本時引入人工的修改，進一步減少了出錯的可能性。

3 時鐘信息用戶界面管理端

除了圖2 展示的CM GUI 時鐘信息主窗口，CM也同時具備其他窗口用于DE、VE 和BE 對時鐘信息的查詢和編輯。CM 也像其他商業電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具一樣有菜單欄和多個嵌入的窗口界面。這些窗口界面除了主窗口以外，還包括時鐘樹窗口、時鐘圖窗口和時鐘查找窗口。

3.1 時鐘樹窗口

在查看某個時鐘項的信息時，往往需要跟蹤它的父時鐘或者子時鐘。獲取時鐘的信息結構有助于理解相關時鐘之間的關系。如圖2 所示，用戶可以在時鐘樹窗口點擊某一個時鐘項，然后選擇查看時鐘樹圖或者時鐘序列圖，也可以在時鐘信息對話窗口獲得該時鐘詳細的信息。

3.2 時鐘圖窗口

如果需要跟蹤一個較大的時鐘組，該時鐘組內包含許多同源的時鐘項，則除了選擇時鐘樹圖顯示以外，也可以采用時鐘圖窗口來顯示。用戶可以在時鐘信息主窗口或者時鐘樹窗口中選擇某個時鐘項，并由CM 生成該時鐘的時鐘圖。圖6 展示了由某個時鐘項所產生的時鐘圖。時鐘圖的展示方式對于用戶理解某些大型復雜的時鐘組更為合適[15]。

圖6 CM GUI中的時鐘圖界面

3.3 時鐘查找窗口

伴隨著時鐘信息的集中管理，CM 中的時鐘信息會增加到一個非常可觀的數目。用戶在此時需要利用一個獨立的窗口用來查找和瀏覽一些他們感興趣的時鐘信息。例如有時用戶需要查找某個子系統的一個時鐘樹結構信息。時鐘查找窗口可以很好地滿足用戶想要實現時鐘信息查找的需求，它也可以提供正則表達式查找模式。用戶可以通過時鐘查找窗口，輸入時鐘名稱、類型、實例名、路徑、設計塊等信息進一步查找和過濾時鐘信息。

4 測試驗證

在將CM 投入到芯片研發后，為了得到該方案的比對數據，將同一款5G SoC 芯片在第一次流片（未采用CM）和第二次流片（采用CM）作為對比，分別就時鐘總數、時鐘冗余信息、時鐘文件數量、投入人力、腳本維護時間、時鐘信息出錯率等方面做比較。

從表1 可以看到，5G SoC 芯片的時鐘信息數目在使用CM 之后，可以得到有效的信息合并，繼而減少管理的時鐘總數。原有的時鐘文件數量和冗余信息比例也能得到優化。由于采用了時鐘信息合并、對比、分析等新功能，用來維護每個時鐘有關腳本的時間得以有效縮短，而一致性和自動化的管理方式也顯著降低了時鐘信息出錯率。在最終的投入人力對比中，未采用CM 時需要多人投入、更多工作時間，而在采用CM 后只需要一人管理所有的時鐘信息，而且采用更少的時間即能夠完成任務。

表1 CM投入時鐘管理使用前后的數據

5 結束語

CM 是一個為芯片項目開發的用于解決時鐘信息一致性的管理工具。在硅前（pre-silicon）開發和硅后（post-silicon）開發過程中均體現了它的價值[16]。CM 已經投入到多個大型芯片開發的過程中，有效地降低了在多個流程中時鐘信息不一致所帶來的風險。中心化的時鐘信息維護方式和智能的時鐘信息規則檢查也有效地降低了在編輯時鐘信息時出錯的可能。

在投入使用CM 之前，DE、VE 和BE 在以往都是按照自己業務執行方式準備時鐘信息，這增加了不同流程之間時鐘信息不一致的風險。而在使用了CM 之后，只有管理時鐘結構和設計的DE 才需要統一維護時鐘信息。由于與其他EDA 工具的流程可以通過CM 支持的模板形式來完成定制化，CM 目前已經能夠很快地投入到新項目的使用，并能夠與各個業務部門之間做緊密的配合，加快時鐘信息管理有關的流程，促進設計、驗證和后端等過程的快速交付。