Um rápido guia para o trabalho

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TUTORIAL PARA SÍNTESE STANDARD-CELLS
Atualizado em 04/novembro/2007
Fernando Gehm Moraes
ATENÇÃO: PASSOS 1 a 4 NO WINDOWS
Verifique se a variável de ambiente MGLS_LICENSE_FILE é igual a
[email protected] (my_computer  properties  advanced  environment
variables). Se não for este valor, insira esta variável.
1 – Arquivos do multiplicador e de simulação (test bench)
Baixar do endereço abaixo os códigos VHDL contendo o multiplicador e o respectivo test_bench.
http://www.inf.pucrs.br/~moraes/microel/multiplicador/multiplica.vhd
e
http://www.inf.pucrs.br/~moraes/microel/multiplicador/tb.vhd
2 – Simulação funcional no modelsim:
Abrir o simulador ModelSim (
seguintes comandos:
). Na janela transcript (onde tem o prompt) digitar os
cd E:/multiplicador
vlib work
vmap work work
vcom multiplica.vhd tb.vhd
vsim work.testa_mult
view wave
# ir para o diretório onde estão os fontes
# nomes dos fontes VHDL
# não mudar, pois é o nome da entity do test_bench
Arraste os sinais a,b e prod e digite “run 600 ns. O resultado da multiplicação é observado abaixo:
Zoom
Dicas do modelsim:
 Para reinicializar a simulação: restart –f
 Para selecionar a base (decimal, binário...): selecionar os sinais e com o botão da diretia proprieties.
 A mudança de zoom é feita através do ícone ao lado da seta.
3 – Síntese Lógica
Após verificarmos o correto funcionamento lógico do circuito, devemos proceder à etapa de
síntese lógica. Nesta etapa é feita a tradução do VHDL para o nível de portas lógicas.
Para isto iremos utilizar a ferramenta Leonardo Spectrum
.
Para sintetizarmos o circuito, devemos indicar qual a tecnologia que iremos utilizar. No
presente tutorial iremos utilizar a tecnologia tsmc035 (0.35 microns).
É possível utilizar a ferramenta Leonardo em modo gráfico, mas o usual é utilizarmos
scripts. Salve os comando abaixo em um arquivo denominado synt.do
## ADKsynthesis script
set vhdl_write_component_package FALSE
set vhdl_write_use_packages {library ieee,adk; use ieee.std_logic_1164.all; use adk.all;}
set edifout_power_ground_style_is_net TRUE
load_library tsmc035_typ
analyze multiplica.vhd -format vhdl -work work
elaborate Mult_CSAdder -architecture Mult_CSAdder -work work
ungroup -all -hierarchy
optimize -ta tsmc035_typ -effort standard -macro -area
report_area -cell
write
write
write
mul_l.edf
mul_l.v
mul_l.sdf
-format edif
-format verilog
-format sdf
Abra a ferramenta Leonardo e: (1) usando comandos pwd / cd / dir ir para o diretório onde
está o script e o arquivo vhdl fonte; (2) digite no Leonardo sc synt.do para executar o script. O
script executa os passos acima para realizar a síntese lógica.
Este exemplo deve resultar em:
Cell
and02
aoi22
inv01
mux21
nand02
nand04
nor02
oai21
xnor2
Number
Number
Number
Number
Library References
tsmc035_typ
1 x
tsmc035_typ
3 x
tsmc035_typ
9 x
tsmc035_typ
7 x
tsmc035_typ
10 x
tsmc035_typ
3 x
tsmc035_typ
3 x
tsmc035_typ
1 x
tsmc035_typ
17 x
of
of
of
of
Total Area
1
1 gates
1
4 gates
1
7 gates
2
13 gates
1
10 gates
1
4 gates
1
3 gates
1
1 gates
2
32 gates
ports :
nets :
instances :
references to this view :
16
62
54
0
Total accumulated area :
Number of gates :
77
Number of accumulated instances :
54
-- Writing file mul_l.edf
-- Writing file mul_l.v
-- Writing file mul_l.sdf
Info, Command 'write' finished successfully
Notar que este multiplicador consumiu o equivalente a 77 portas lógicas nand2 equivalentes
(number of gates). Esta síntese gera três arquivos, dos quais 2 serão utilizados.:
1. mul_l.v  descrição Verilog do arquivo multiplicador. Abrir e analisar este arquivo.
2. mul_l.sdf  descrição dos atrasos das portas lógicas.
A escolha de saída Verilog deve-se à ferramenta de síntese física utilizada.
4 – Simulação SDF (com atraso de portas lógicas)
O terceiro passo no fluxo de projeto corresponde à simulação com atrasos. Para isto iremos
utilizar os arquivos verilog e sdf obtidos na etapa anterior.
Baixar da página a descrição da biblioteca:
http://www.inf.pucrs.br/~moraes/microel/multiplicador/adk.v
Recomendas-se criar um novo diretório, por exemplo atraso, e copiar neste diretório os
arquivos necessários (adk.v, mul_l.v, tb.vhd). Isto evita confusão entre as simulações com e sem
atraso.
Uma vez copiados os três arquivos necessários, digitar:
vlib
vmap
vlog
vlog
vcom
vsim
work
work work
adk.v
mul_l.v
tb.vhd
-sdfmax /multiplicador=mul_l.sdf -t 10ps work.testa_mult
Recomenda-se gravar estes 6 comandos em um arquivo, por exemplo atraso.do, e depois no
ModelSim apenas digitar do atraso.do.
Observações:
 O comando vlog adk.v compila a biblioteca em formato verilog, pode demorar um pouco.
 O parâmetro -sdfmax /multiplicador=mul_l.sdf liga o nome da instância definida no test
bench ao arquivo de atraso.
 O parâmetro -t 10ps é utilizado para que seja possível a visualização dos atrasos.
Ao final do comando vsim deve aparecer o seguinte relatório:
#
#
#
#
#
Loading work.inv01
Loading work.mux2
Loading mul_l.sdf
** Note: (vsim-3587) SDF Backannotation Successfully Completed.
Time: 0 ps Iteration: 0 Region: /testa_mult File: tb.vhd
Simular 700 ns (run 700 ns) e observar os resultados. O resultado é aparentemente similar à
primeira simulação, com o circuito multiplicando corretamento.
O destaque na simulação corresponde à simulação de pior caso, que é multiplicar 1111 (15)
por 1111(15), que resulta em 1110000 (225). O atraso observado neste caso é de 1,62 ns.
5 – Abrir o adk_ic e criar um projeto
 digitar o comando adk_ic para abrir a janela principal do programa IC Station da mentor.
** IMPORTANTE: LANÇAR O ADK_IC NO DIRETÓRIO QUE ESTÁ O VERILOG **
 no menu translate escolher a opção read verilog (descrição gerada pelo Leonardo, e já
simulada com atraso de portas). Preencha os campos conforme a figura abaixo:
a) Pressione OK. Depois de várias mensagens (inclusive de erros...) deverá aparecer uma janela
vazia.
b) Localize no menu à direita (IC Palletes) a opção “Place and Place”. Clique em menu “Plan and
Place”. No novo menu, em “flooplanner” clicar em “autofp”. Clicar em OK. Irá ser gerado um
desenho com área reservada para quatro linhas de células.
c) Clicar em “TOP” para voltar ao menu anterior (ou no menu superior ADK  SHOW ADK
PALETTE). Clicar no menu “ADK_Edit” e depois “P&R”. Neste menu clicar no AutoPlace
“StdCell”. As células serão posicionadas conforme abaixo.
d) E depois AutoRoute All para que todas as conexões sejam realizadas.
e) Na janela acima enxergamos apenas o retângulo de cada célula, mas não o seu layout. Para ver o
layout: “Context  hierarchy  peek area”. Clique em “polygon” e selecione a área.
Para vizualizar os pinos de entrada e saída digite “”setup IC” e ative “port display”.
Medir com as réguas o tamanho do circuito. A unidade é  (lambda). O circuito tem
aproximadamente 950  x 740 . Sabendo-se que um  é igual a 0,12 m, o tamanho do
circuito é aproximadamente 114 m x 88,8 m, ou 10123,2 m2, ou 0,010123 mm2.
f) DRC (verificação de regras de projeto): usar o menu Calibre, nos menus superiores. Em rules
selecionar o arquivo de regras .
 $ADK/technology/ic/process/tsmc035.rules

RUN DRC. Apesar de automatizado o fluxo, erros ocorrem. Nesta execução ocorreram
12 erros! .Abra o erro (clicando no símbolo ‘+’) até chegar na coordenada do erro. Neste
ponto, será possível visualizar onde ocorreu o erro.

Na janela abaixo mostram-se 4 erros de espaçamento de Metal 2:
Erro de DRC
.
g) Extração do SPICE para simulação no nível de transistores. No menu ICTrace(M) (menus da
direita!)
ICTrace(M)  netlist  hspice  GEROU O NETLIST SPICE
(opção HSPICE / Substitue Slashes)
Neste menu indicar o nome do arquivo, e depois de gerado visualizá-lo.
Obtém-se o seguinte arquivo:
* File: ./net_mul.
Creation time: Sun Nov
4 18:32:06 2007
.subckt multiplicador A[0] A[1] A[2] A[3] B[0] B[1] B[2] B[3] GND P[0] P[1]
P[2]
+ P[3] P[4] P[5] P[6] P[7] VDD
* devices:
m0 170 nx82 VDD VDD p l=0.24u w=3.12u ad=1.1232p as=2.0232p
m1 171 nx210 VDD VDD p l=0.24u w=3.12u ad=1.1232p as=2.0232p
m2 172 nx70 VDD VDD p l=0.24u w=3.12u ad=1.1232p as=2.0232p
m3 173 nx250 P[1] VDD p l=0.24u w=1.56u ad=0.5616p as=0.9216p
m4 P[2] nx204 170 VDD p l=0.24u w=3.12u ad=2.0232p as=1.1232p
m5 nx208 nx212 171 VDD p l=0.24u w=3.12u ad=2.0232p as=1.1232p
m6 P[3] nx208 172 VDD p l=0.24u w=3.12u ad=2.0232p as=1.1232p
…………………………………………
m364 111 nx128 P[5] GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.792p as=0.864p
m365 GND nx241 167 GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.864p as=0.432p
m366 168 nx222 GND GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.432p as=0.864p
m367 P[7] 109 168 GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.792p as=0.432p
m368 169 nx128 GND GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.432p as=0.792p
m369 110 nx255 169 GND n l=0.24u w=1.2u ad=0.792p as=0.432p
.ends multiplicador
O multiplicador de 4 bits consumiu 370 transistores. Fazendo a relação entre o número
de transistores e a área do circuito (0,01 mm2), obtém-se uma densidade de implementação
igual a 36550 transistores/ mm2.
 salve este arquivo como mult.sp
h) Em um diretório para simulação coloque os arquivos mult.sp, tsmc035.mod e o arquivo de
simulação abaixo:
* circuito multiplicador obtido a partir do spice
*** modelo para tecnologia 0.35 microns
.include tsmc035.mod
*** arquivo obtido da extração
.include mult.sp
X1
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 0 p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 vcc multiplicador
p0
p1
p2
p3
p4
p5
p6
p7
0
0
0
0
0
0
0
0
50fF
50fF
50fF
50fF
50fF
50fF
50fF
50fF
vcc vcc 0 dc 3.3
Vaa0
Vaa1
Vaa2
Vaa3
a0
a1
a2
a3
0
0
0
0
pwl(
pwl(
pwl(
pwl(
0n
0n
0n
0n
0
0
0
0
9.8n
9.8n
9.8n
9.8n
0
0
0
0
10n
10n
10n
10n
3.3
3.3
3.3
3.3
19.8n
19.8n
19.8n
19.8n
3.3
3.3
3.3
3.3
20n
20n
20n
20n
3.3
3.3
3.3
0
29.8n
29.8n
29.8n
29.8n
3.3
3.3
3.3
0
30n
30n
30n
30n
3.3
3.3
3.3
3.3
39.8n
39.8n
39.8n
39.8n
3.3
3.3
3.3
3.3
40n
40n
40n
40n
3.3
3.3
3.3
3.3
49.8n
49.8n
49.8n
49.8n
3.3)
3.3)
3.3)
3.3)
Vbb0
Vbb1
Vbb2
Vbb3
b0
b1
b2
b3
0
0
0
0
pwl(
pwl(
pwl(
pwl(
0n
0n
0n
0n
0
0
0
0
9.8n
9.8n
9.8n
9.8n
0
0
0
0
10n
10n
10n
10n
3.3
3.3
3.3
3.3
19.8n
19.8n
19.8n
19.8n
3.3
3.3
3.3
3.3
20n
20n
20n
20n
3.3
3.3
3.3
3.3
29.8n
29.8n
29.8n
29.8n
3.3
3.3
3.3
3.3
30n
30n
30n
30n
0
0
0
0
39.8n
39.8n
39.8n
39.8n
0
0
0
0
40n
40n
40n
40n
3.3
3.3
3.3
3.3
49.8n
49.8n
49.8n
49.8n
3.3)
3.3)
3.3)
3.3)
.options
**
* mede o tempo do atraso de subida
**
.measure tran trise trig v(a3) val=1.65
+
targ v(p7) val=1.65
td=2n rise = 1
rise = 1
**
* mede o tempo do atraso de descida
**
.measure tran tfall trig v(a3) val=1.65
+
targ v(p7) val=1.65
td=2n fall = 1
fall = 1
.TRAN .5N 55N
.END

No arquivo do modelo (tsmc035.mod) renomear os modelos para coincidir com o arquivo
extraído (houveram casos de ser nch/pch também – verificar o arquivo extraído).
.MODEL N NMOS (
.MODEL P PMOS (

LEVEL
LEVEL
= 53
= 53
Se houverem erros do tipo “nodo sem” verificar no layout se não tem porta de entrada ou
saída aberta. Um turn around possível para estes casos é colocar os pinos abertos na lista do
subcircuito (por exemplo, hipoteticamente o 51), e depois conectá-lo a vcc (no exemplo) ou
0.
.subckt multiplicador A[0] A[1] A[2] A[3] B[0] B[1] B[2] B[3] GND P[0] P[1] P[2]
+ P[3] P[4] P[5] P[6] P[7] VDD 51
X1
a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 0 p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 vcc vcc multiplicador

Estamos simulando:
A
B
produto

0
0
0
F
F
E1
7
F
69
F
0
0
F
F
E1
A simulação vai gerar o resultado apresentado na figura abaixo. Verifique o resultado
obtido na simulação com a tabela acima.
Observar o resultado nas medidas geradas com measure:
trise
1.181e-09
tfall
1.724e-09
temper
25.0000
alter#
1.0000
Ou seja, a simulação indicou como tempo crítico o tempo de descida, igual a 1,74 ns, um pouco
superior ao 1,62 ns obtido com a simulação com atraso lógico (SDF). Isto mostra que a simulação
com atraso SDF é confiável.
i) [não atualizado ainda] Última etapa. Comparação Layout versus Schematic (LVS), no menu top
(IC Palletes): VerifyDP(LVS)  LVS. Indicar a referência para comparação contra o layout:
Nome do spice
extraído
Nome da instância
do somador no
arquivo spice
IMPORTANTE: no Setup LVS colocar “ignore ports”
O relatório gerado (lvs.rep) será:
##################################################
##
##
##
C A L I B R E
S Y S T E M
##
##
##
##
L V S
R E P O R T
##
##
##
##################################################
REPORT FILE NAME:
./lvs.rep
LAYOUT NAME:
$MGC_WD/multiplicador
SOURCE NAME:
./mult_net ('multiplicador')
RULE FILE:
/soft/design_kits/2006/adk_mentor_2.5/technology/ic/process/tsmc035.rules
LVS MODE:
Mask
RULE FILE NAME:
/soft/design_kits/2006/adk_mentor_2.5/technology/ic/process/tsmc035.rules
CREATION TIME:
Sun Nov 4 20:08:50 2007
CURRENT DIRECTORY:
/home/prof/moraes/multiplicador
USER NAME:
moraes
**********************************************************************************************
OVERALL COMPARISON RESULTS
******************************************************************************************
#
#
#
#
# #
#
###################
#
#
#
CORRECT
#
#
#
###################
_
*
_
*
|
\___/
-----------------------------------------------------------------------------------------------
INITIAL NUMBERS OF OBJECTS
--------------------------
Nets:
Instances:
Total Inst:
Layout
-----569
Source
-----202
185
185
-----370
185
185
-----370
Component Type
-------------*
MN (4 pins)
MP (4 pins)
j) Após o LVS posso explorar dentro do layout onde estão as redes. Por exemplo: show  net by
name. Digite “p[3]” e veja dentro de layout onde está esta saída. Ou:
ICTrace(M) ==> Show Net by name (**)
k) Para salvar: File  Cell  Save Cell  All Cells. Depois da edição deve-se reservar a célula
para edição: FILE->CELL->RESERVE
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