前面學(xué)習(xí)了進行低功耗的目的個功耗的構(gòu)成，今天就來分享一下功耗的分析。由于是面向數(shù)字IC前端設(shè)計的學(xué)習(xí)，所以這里的功耗分析是基于DC中的power compiler工具；更精確的功耗分析可以采用PT，關(guān)于PT的功耗分析可以查閱其他資料，這里不涉及使用PT的進行功耗分析。
(1)功耗分析與流程概述
上一個小節(jié)中講解了功耗的構(gòu)成，并且結(jié)合工藝庫進行簡要地介紹了功耗的計算。但是實際上，我們根本不可能人工地計算實際的大規(guī)模集成電路的功耗，我們往往借助EDA工具幫我們分析電路的功耗。這里我們就介紹一下EDA工具分析功耗的(普遍)流程，然后下一小節(jié)我們將介紹低功耗電路的設(shè)計和優(yōu)化。
①功耗分析流程的輸入輸出
???功耗分析的流程(從輸入輸出關(guān)系看)如下所示:
上面的圖中，需要四種東西:
·tech library:這個就是包含功耗信息的工藝庫了，比較精確的庫里面還應(yīng)該包含狀態(tài)路徑(SDPD)信息，代工廠提供。
·netlist:設(shè)計的門級網(wǎng)表電路，可以通過DC綜合得到。
·parasitic:設(shè)計中連線等寄生參數(shù)，比如寄生電容、寄生電阻，這個一般是后端RC寄生參數(shù)工具提供，簡單的功耗分析可以不需要這個文件。
·switch activity:包含設(shè)計中每個節(jié)點的開關(guān)行為情況，比如說節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率或者可以計算出節(jié)點翻轉(zhuǎn)率的文件。這個開關(guān)行為輸入文件是很重要的。這個開關(guān)行為可以有不同的形式提供，因此就有后面不同的分析功耗的方法。
（注意，不管使用什么方法進行功耗分析，功耗分析的時候，輸入設(shè)計文件的都是門級網(wǎng)表文件）
②開關(guān)行為的一些概念
??說到開關(guān)行為，我們前面的翻轉(zhuǎn)率也是一種開關(guān)行為。此外我們還有其他關(guān)于開關(guān)行為描述的概念，這里我們通過舉例說明，如下圖所示:
·翻轉(zhuǎn)(次)數(shù):邏輯變化的次數(shù)，上圖中信號的翻轉(zhuǎn)數(shù)為3.
·翻轉(zhuǎn)率:前面也有相關(guān)介紹，這里重提一下，翻轉(zhuǎn)率是單位時間內(nèi)信號(包括時鐘、數(shù)據(jù)等等信號)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。上圖中翻轉(zhuǎn)率為3/6 = 0.5(6個時間間隔內(nèi)，翻轉(zhuǎn)了3次)
·T1,T0:(節(jié)點)信號的邏輯值為1和0的持續(xù)時間，上圖中T1為4，T0為2。
·靜態(tài)概率(static ?probability ，SP):(節(jié)點)信號邏輯值為1的概率，上圖中的SP為4/6=2/3。
?③開關(guān)行為(文件)情況表示
前面我們說到了功耗的分析需要開關(guān)行為的情況，一般就是指每個節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率情況，我們有下面方式設(shè)置翻轉(zhuǎn)率:
??·直接命令進行:例如命令:
set_switching_activity??-static ??0.2 ??-toggle_rate ??20 -period ?1000 [all_inputs]
這時，翻轉(zhuǎn)率設(shè)置的節(jié)點是輸入，響應(yīng)的翻轉(zhuǎn)率為:Tr = 20/1000 = 0.02GHz
??·SAIF文件:即switching activity interchange format，開關(guān)行為內(nèi)部交換格式文件，用于仿真器和功耗分析之間交換信息的ASCII文件(美國標準信息交換碼文件)。
??·VCD文件，即value change dump 文件，它也是一個ASCII文件，文件中包括了一個設(shè)計中所選擇變量值的變化信息，這些信息通過在仿真testbench中使用“VCD系統(tǒng)函數(shù)”得到。
??在Synopsys的低功耗設(shè)計流程里面，可以使用power compiler（包含在design compiler中）進行功耗分析。我們可以通過命令來定義節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率的方法來分析功耗----稱為無向量(vector-free)分析法;由于SAIF文件和VCD文件可以通過對電路仿真得到，它們是仿真接口格式文件，因此也可以通過VCS仿真器產(chǎn)生SAIF或者VCD文件的方法分析功耗。當(dāng)要分析的結(jié)果比較精確時，一般使用SAIF文件或者VCD文件（VCD文件通過相關(guān)命令轉(zhuǎn)換成SAIF文件，而后使用SAIF進行功耗分析）。
(2)無向量分析法
前面我們說到，無向量分析法就是通過命令來定義節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率的方法來分析功耗。我們先來逐條學(xué)習(xí)需要什么的命令，然后在后面進行舉例說明無向量分析法的腳本。
在學(xué)習(xí)設(shè)置翻轉(zhuǎn)率的命令之前，我們先來了解一下什么是設(shè)計的傳播起點和黑盒子。我們定義傳播的起點為設(shè)計的輸入端和黑盒子的輸出端，黑盒子是指在工藝庫里沒有功能描述的單元（比如ROM 、RAM或者一些IP核）。例如對于下面的設(shè)計中：
上面的設(shè)計有三處起點，一處是整個設(shè)計的輸入端，一處是黑盒子的輸出端，還有一處是某個單元的輸入端。最后一處的起點不包含在我們的定義中，但是我們也把它當(dāng)做起點，因為這是被標記了翻轉(zhuǎn)率，這個我們后面進行講解。
利用無向量分析法分析功耗時，我們不必提供設(shè)計內(nèi)部節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率，而是通過設(shè)置起點的翻轉(zhuǎn)率就行了。我們有兩種方法設(shè)置翻轉(zhuǎn)率，一種是通過設(shè)置翻轉(zhuǎn)變量，一種是通過標記的方法。下面我們就來介紹如何通過這兩種方法進行設(shè)置翻轉(zhuǎn)率。
①設(shè)置翻轉(zhuǎn)變量
在power compiler中，可以設(shè)置下面的兩個翻轉(zhuǎn)變量進行設(shè)置翻轉(zhuǎn)率：
power_default_toggle_rate
power_default_static_probability
下面就來介紹一下這兩個變量（主要介紹power_default_toggle_rate）。
power_default_toggle_rate:其用法我們可以在DC中進行man一下，這個變量設(shè)置設(shè)計中默認使用的翻轉(zhuǎn)率。定義方式是：
set ??power_default_toggle_rate ??翻轉(zhuǎn)值
翻轉(zhuǎn)值默認是0.5。這個翻轉(zhuǎn)值不是翻轉(zhuǎn)率，這個變量定義的翻轉(zhuǎn)率是個相對的值：
·如果設(shè)計定義了時鐘，這個power_default_toggle_rate變量定義的翻轉(zhuǎn)率就以最快的時鐘為參考，比如翻轉(zhuǎn)值為0.5時，設(shè)計中最快的時鐘為10ns，那么翻轉(zhuǎn)率Tr = 0.5/10ns = 0.05GHz，也就是整個設(shè)計中默認的翻轉(zhuǎn)率是0.05GHz。
·如果設(shè)計中沒有時鐘，那么就會以工藝庫中的時間單位作為參考，例如工藝庫中的時間單位是ns，翻轉(zhuǎn)值為0.5，那么翻轉(zhuǎn)率Tr = 0.5/1ns = 0.5GHz。
power_default_static_probability：這個設(shè)置的是默認的靜態(tài)概率，也就是起點的邏輯值是1的概率。至于靜態(tài)概率，這里就不詳細描述了。這兩個變量的默認翻轉(zhuǎn)值都是0.5，翻轉(zhuǎn)率是很大的，一般情況下需要減小一點，比如設(shè)置為0.01和0.02這樣的。
一般情況下，默認的翻轉(zhuǎn)率是設(shè)置在起點上的，也就是說起點的翻轉(zhuǎn)率用的是power_default_toggle_rate這個變量設(shè)置的翻轉(zhuǎn)率，內(nèi)部節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率可以通過傳播得到，如下圖所示：
需要說明的是，傳播不可以穿過沒有功能描述的黑盒子，也就是不能通過傳播的方式得到黑盒子的輸出翻轉(zhuǎn)率，因此我們在最前面就定義了，將黑盒子的輸出當(dāng)做起點，這樣其他節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率可以通過傳播得到（包括黑盒子的輸入），黑盒子輸出的翻轉(zhuǎn)率通過默認設(shè)置的翻轉(zhuǎn)率得到，我們就得到了設(shè)計中所有節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率。
②標記翻轉(zhuǎn)率
上面的方式設(shè)置的是默認的翻轉(zhuǎn)率。當(dāng)我們需要為某個節(jié)點標記某個指定的翻轉(zhuǎn)率，而不是使用默認的翻轉(zhuǎn)率時，我們就用到了標記頻率，如下圖所示：
單元A的輸入端口標記了特定翻轉(zhuǎn)率，比如說0.04GHz。標記的翻轉(zhuǎn)率比傳播的翻轉(zhuǎn)率優(yōu)先級更高，被標記翻轉(zhuǎn)率的節(jié)點將作為一個新的起點，這就不屬于起點的定義，但還是叫它為起點的原因。標記翻轉(zhuǎn)率之后，這個單元后續(xù)的節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率將通過這個新標記的翻轉(zhuǎn)率傳播得到。
設(shè)置標記翻轉(zhuǎn)率（簡稱設(shè)置翻轉(zhuǎn)率）的命令主要有兩條：
set_switching_activity 和 set_case_analysis，下面就來講解一下這兩條命令的意思。
set_switching_activity：設(shè)置某個節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率和靜態(tài)概率，在使用無向量分析法估算功耗的時候，這個命令被廣泛使用，越多的節(jié)點上被標記翻轉(zhuǎn)率，估算功耗的精度就越高。命令和選項如下所示：
set_switching_activity
???????????????[-static_probability static_probability]
???????????????[-toggle_rate toggle_rate]
???????????????[-state_condition state_condition]
???????????????[-path_sources path_sources]
???????????????[-rise_ratio rise_ratio]
???????????????[-period period_value | -base_clock clock]
???????????????[-type object_type_list]
???????????????[-hierarchy]
???????????????[object_list]
???????????????[-verbose]
下面來簡單介紹一下常用的幾個選項，詳細的介紹可以通過man set_switching_activity獲取。
-static_probability?：設(shè)置靜態(tài)概率。
-period?? ?period_value | -base_clock clock：設(shè)置時鐘（周期），-period和 -base_clock只能設(shè)置其中一個。
-toggle_rate：設(shè)置翻轉(zhuǎn)值，與-period或者 -base_clock相關(guān)聯(lián)。翻轉(zhuǎn)率Tr等于：用-base_clock選項指定的時鐘周期里面的翻轉(zhuǎn)數(shù)目 ?或 用-period選項指定的時間段里的翻轉(zhuǎn)數(shù)目；當(dāng)沒有這個設(shè)置兩個選項時，將使用工藝庫里面的時間單位，即翻轉(zhuǎn)率等于在每個庫單位時間內(nèi)的翻轉(zhuǎn)數(shù)目。
下面來舉例說明這個命令的用法：
例一：
create_clock CLK -period 20
set_switching_activity ?-base_clock ?CLK ?-toggle ??0.5 ?-static ?0.015 ?[all_inputs]
上述命令設(shè)置了時鐘周期為20ns，然后命令使用的是-base_clock的選項，所有輸入端的翻轉(zhuǎn)值為0.5，靜態(tài)概率為0.015，于是得到翻轉(zhuǎn)率Tr=0 .5/20=0.025 GHz
例二：
set_switching_activity -period ?1000 ?-toggle ?25 ?-static ?0.015 ??[all_inputs]
上述沒有創(chuàng)建時鐘，但是使用了period選項，意思是1000個周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)了25次，于是我們就可以得到所以輸入的翻轉(zhuǎn)率Tr=25/1000=0. 025 GHz
例三：
set_switching_activity -toggle ?0.025 ?-static ?0.015 [all_inputs]
上述命令中，-period和 -base_clock這兩個選項都沒有使用，這個時候就跟工藝庫里面的時間單位有關(guān)了，若庫中時間單位為ns,那么我們就得到翻轉(zhuǎn)率Tr=0.025 /1 = 0.025 GHz
上面講解了set_switching_activity ，下面我們就來講解一下set_case_analysis。
set_case_analysis用來指定一個靜態(tài)邏輯值，也就是設(shè)置信號為常數(shù)，不進行翻轉(zhuǎn)；設(shè)計里面的一些信號需要這樣子設(shè)計，例如復(fù)位信號，設(shè)置如下所示：
set_case_analysis ?1 ?[get_ports reset]
則設(shè)置了reset的值常為1.
=================================================================================================
上面我們講解了設(shè)置翻轉(zhuǎn)率的方法，下面舉例說明一下如何綜合使用這兩種翻轉(zhuǎn)率。例如對于下面的設(shè)計：
翻轉(zhuǎn)率的設(shè)置要求如下所示：
1.正確地定義時鐘;
2.使用set_case_analysis命令設(shè)置常數(shù)控制信號reset;
3.在傳輸起點設(shè)置翻轉(zhuǎn)率，在輸入端和黑盒子輸出端設(shè)置任何已知的翻轉(zhuǎn)率，其他的起點將使用默認的翻轉(zhuǎn)率。
4.讓工具在設(shè)計中把翻轉(zhuǎn)率傳播下去
上面的沒有要求具體的翻轉(zhuǎn)率，因此我們可以設(shè)置我們想要的翻轉(zhuǎn)率，根據(jù)上面的要求，我們編寫相應(yīng)的tcl腳本如下所示：
create_clock ?-p ?4 ?[get_ports clk}
set_case_analysis ?0 ?reset ?[get_ports ?reset]
set_power_default_toggle_rate ?0.003
set_switching_activity -tog 0.02 ?a
set_switching_activity -tog 0.06 ?b
set_switching_activity -tog 0.11 ?x
上面的腳本中，設(shè)置了周期為4(ns)的時鐘，然后利用set_case_analysis命令，設(shè)置reset端口為常數(shù)；翻轉(zhuǎn)值為0.003，那么對應(yīng)的翻轉(zhuǎn)率為0.003/4ns，這個是默認的翻轉(zhuǎn)率；然后利用set_switching_activity命令指定a、b、x的翻轉(zhuǎn)值，其翻轉(zhuǎn)率為 翻轉(zhuǎn)值/4ns。
=============================================================================================
前面介紹了無向量分析法進行功耗分析，在介紹一下使用SAIF文件的方法進行功耗分析之前，我們先來介紹一下綜合不變物體和綜合變化物體的概念，下圖為一個電路的RTL設(shè)計和門級設(shè)計：
根據(jù)定義，在綜合前和綜合后，設(shè)計中的寄存器數(shù)目和寄存器的結(jié)構(gòu)是不變的，輸入/輸出端口和層次邊界是不變的，設(shè)計中的黑盒子是不變的。這些不變的物體稱為綜合不變物體(Synthesis Invariant Objects，有時候也叫綜合不變對象)。設(shè)計中大部分的組合電路生成與設(shè)計約束有很大的關(guān)系，不同的約束產(chǎn)生不同的組合電路。這些變化的物體稱為綜合變化的物體(Synthesis Variant Objects)。由于SAIF文件中涉及這兩個概念，這里先進行介紹。
介紹完這兩個概念之后，下面我們就來了解一下使用SAIF進行功耗分析。SAIF文件當(dāng)做翻轉(zhuǎn)率輸入文件的方法有兩種方式，也就是說利用SAIF進行功耗分析有兩種方法——對RTL級的電路仿真后得到的SAIF文件（稱為RTL backward SAIF）以及對門級網(wǎng)表的電路仿真后得到的文件（稱為Gate backward SAIF）。下面逐個進行具體介紹。
(3)SAIF--RTL BACK分析法
RTLbackwardSAIF文件是通過對RTL代碼進行仿真得到的，當(dāng)設(shè)計很大的時候，門級仿真時間就會很長，這時候就可以使用這種方法進行分析。使用這種方法進行分析功耗的速度比較快，但是進度不夠門級仿真SAIF文件的高。
①RTL?forward?SAIF文件
RTL?forwardSAIF文件是記錄RTL設(shè)計中綜合不變物體的開關(guān)行為文件，可以簡單地理解：RTL?forwardSAIF文件簡要地記錄了綜合不變物的翻轉(zhuǎn)率。RTLbackwardSAIF文件的產(chǎn)生需要RTL?forwardSAIF文件，因此我們首先需要產(chǎn)生RTL forward ?SAIF文件。產(chǎn)生RTL ?forward ?SAIF文件的流程如下：
RTL ?forward ?SAIF文件是由power compiler （包含在design compiler中）產(chǎn)生的，根據(jù)流程，我們知道，主要設(shè)置一些變量，然后讀入RTL設(shè)計（RTL.v設(shè)計），接著讀出SAIF文件就可以了。相應(yīng)的腳本如下所示：
set ?power_preserve_rtl-hier_names ?true
read_verilog ??"sub.v top. v"
rtl2saif ?-output ?fwd_ rtl.saif
一個示例RTL ?forward ?SAIF文件里面的部分內(nèi)容如下所示：
(SAIFILE
(SAIFVERSION "2 .0")
(DIRECTION "forward")
(DESIGN)
(DATE "Wed May 12 18:31:19 2004
(VENDOR "Synopsys，Inc")
(PROGRAM NAME "rtl2saif")
(VERSION“1 .0")
(DIVIDER/)
(INSTANCE top
????(PORT
????(address\15\ address\15\)
????(address\14\ address\14\)
????(address\13\ address\13\)
????(address\12\ address\12\)
????(address\11\ address\11\)
????(address\10\ address\10\)
??······
我們可以看到，文件里面包含設(shè)計中一系列綜合不變的物體。在后續(xù)仿真中，仿真器只監(jiān)視這些物體的開關(guān)行為。
②RTL?backward?SAIF文件的產(chǎn)生
下面是產(chǎn)生RTL backward SAIF文件的流程：
從上圖中，我們知道，產(chǎn)生RTL backward SAIF文件，需要在仿真器輸入testbench測試平臺文件、RTL.v設(shè)計、RTL forward SAIF文件，然后使用VCS產(chǎn)生RTL forward SAIF文件時，需要在testbench調(diào)用PLI監(jiān)測節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率。下面我們就來介紹一下這幾個部分。
·首先是PLI。使用VCS產(chǎn)生SAIF文件，需要用到程序設(shè)計語言接口（programming?language interface，PLI）。通過PLI監(jiān)測節(jié)點的翻轉(zhuǎn)，得到節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率。主要需要下面的系統(tǒng)任務(wù)：
$set_gate_level_monitoring ??( on|off|rtl_on);
$set_toggle_region ??(obj);
$read_ rtl_ saif(rtl_saif_file_name,tb_pathname);
$read_ lib_ saif(lib_saif_file_name);
$toggle_start;
$toggle_stop;
$toggle_reset();
$toggle_report(file_name,type,unit);
· RTL.v就是設(shè)計源文件了，然后RTL forward SAIF文件在前面也講過了，這里就從略。
· 最后是testbench。testbench中調(diào)用RTL設(shè)計、調(diào)用一下上述的PLI系統(tǒng)函數(shù)、調(diào)用RTL forward SAIF文件等。一個簡單的示例testbench文件如下所示：
module ?testbench;
top instl (a, b, c,s);//例化頂層設(shè)計
initial ?begin
??????$read_rtl_saif ("myrtl.saif")
??????$set_toggle_region ?(u1);
??????$toggle_start;
??????#120 ?a=0;
??????#STEP ?in_a=temp_in_a;
?······
??????$toggle_stop;
??????$toggle_report("rtl.saif",1.0e-9,"top");
end
endmodule
上面的測試平臺中，用了系統(tǒng)任務(wù)程序$read_rtl_saif ("myrtl. saif")，該命令讀入綜合不變物體文件——RTL?forwardSAIF。因此，仿真時，仿真器僅僅監(jiān)視這些綜合不變物體的開關(guān)行為。向量中$set_toggle_region (u1)命令選擇要監(jiān)視的模塊。$toggle_start和$toggle_stop命令用于控制監(jiān)視的起始和終止時間。$toggle_report("rtl. saif",1. 0e-9,"top")命令輸出SAIF信息到指定的文件。
一起都準備就緒了，下面就可以使用VCS運行仿真：
vcs ?-R ??rtl. v ?testbench. v
注意，這里我們進行的是RTL設(shè)計文件的仿真，仿真完成后，就可以得到rtl.saif文件，這個文件就是RTLbackwardSAIF文件。
③功耗的分析
對RTL代碼仿真后，所得到的RTL Backward SAIF文件包含了設(shè)計中綜合不變物體的開關(guān)行為信息。進行功耗分析時，分析工具通過其內(nèi)部仿真器把綜合不變物體的翻轉(zhuǎn)率傳播下去，從而得到其他所有節(jié)點的翻轉(zhuǎn)率，進行門級電路的功耗分析。得到了RTL backward SAIF文件之后，我們根據(jù)前面的功耗分析的流程(從輸入輸出關(guān)系看)，就可以分析功耗了：
這里的開關(guān)活動文件就是RTL backward SAIF文件了。然后在power compiler中利用RTL backward SAIF文件進行功耗分析的流程如下所示：
一個相應(yīng)的示例腳本如下所示：
set ?target_library ?my. db
set ?link_library ?"* ?$target_library"
read_verilog ??mynetlist.v
current_design top
link
read_ saif ?-input ?rtl.saif ?-inst ?testbench/top
report_power
利用RTL backward SAIF文件分析功耗的過程就是上面這個樣子了。上面的流程和腳本適用于前版圖(pre-layout)的設(shè)計，沒有用到寄生參數(shù)文件。連線的RC參數(shù)使用工藝庫里的線負載模型。如果是后版圖(post-layout)的設(shè)計，要盡量使用寄生參數(shù)文件，提高功耗分析的精確度。
從上面我們就知道，利用RTL backward SAIF文件分析功耗的流程就是：
power compiler 產(chǎn)生 RTL forward SAIF文件 ——》VCS仿真產(chǎn)生RTL ?backward SAIF文件 ——》power compiler 進行分析功耗。
(4)SAIF--GATE分析法
前面介紹了RTL backward SAIF文件分析功耗的方法和流程，下面介紹一下Gate backward SAIF文件分析功耗的方法和流程，這個與RTL backward SAIF文件的很類似。
①library ?forward ?SAIF 文件（簡稱為 庫SAIF文件）
庫SAIF文件是包含SDPD（電路狀態(tài)路徑）信息的SAIF文件。Gate backward SAIF文件的生成需要庫SAIF文件，該文件可以通過power compiler生成，流程如下所示：
對應(yīng)該流程的一個示例腳本如下所示：
read_db ?mylib.db
lib2saif ?-output ?mylib. saif ?-lib_pathname ??mylib.db
示例庫SAIF文件的部分內(nèi)容如下所示：
(SAIFILE
(SAIFVERSION "2.0" "lib")
(DIRECTION "forward")
(DESIGN)
(DATE "Mon May 10 15:40:19 2004"
(VENDOR "Synopsys，Inc")
(PROGRAM NAME "lib2saif")
(DIVIDER / )
(LIBRARY "ssc_core_typ"
??(MODULE "and2al"
??????(PORT
????????(Y
??????????(COND A RISE FALL (IOPATH B)
????????????COND B RISE FALL(IOPATH A)
????????????COND DEFAULT)
????????)
······
庫SAIF文件中包含了SDPD信息。有了庫SAIF文件，仿真時，仿真器會根據(jù)庫中的SDPD信息，監(jiān)視節(jié)點的開關(guān)行為。
②Gate Backward SAIF文件的生成
下面是產(chǎn)生gate backward SAIF文件的流程：
從上圖中我們可以看到，產(chǎn)生gate backward SAIF需要testbench測試平臺、門級網(wǎng)表、標準延時格式（standard delay format）文件SDF、庫SAIF文件。其中SDF文件反標了門級網(wǎng)表中的RC延時參數(shù)等，可以更為準確地得到線網(wǎng)的延時。
testbench的示例內(nèi)容如下所示：
module testbench;
top instl (a, b, c，s);
initial
$sdf_annotate("my.sdf",dut)
initial begin
$read_lib_saif ("mylib.saif");
$set_toggle_region (u1);
$toggle_start;
#120 ?a=0;
#STEP ?in_ a=temp_in_a;
······
$toggle_stop;
$toggle-report("gate.saif",1.0e-9,"top")
end
endmodule//testbench
testbench測試平臺主要是調(diào)用門級網(wǎng)表、SDF文件、庫SAIF文件。testbench中，用$sdf_annotate("my. sdf", dut)命令作SDF標記，以保證時序的正確性，從而得到正確的翻轉(zhuǎn)數(shù)目。$ read_lib_saif ("mylib. saif")命令讀取庫SAIF文件中的SDPD信息。仿真器只監(jiān)視在SAIF文件里列出的SDPD開關(guān)行為。$ set_toggle_region (u1)命令選擇要監(jiān)視的模塊。$ toggle_start和$toggle_stop命令控制開始和結(jié)束時間。$ toggle_report("gate. saif",1. 0e-9, "top")命令把SAIF輸出到指定的文件。
萬事俱備，只欠仿真，接下來就是使用VCS進行仿真了：
vcs ??-R ??top.v ??testbench. v
注意，這里的仿真是對門級網(wǎng)表的仿真，也就是說這里的top.v是門級網(wǎng)表。產(chǎn)生的示例gate forward SAIF文件的部分內(nèi)容如下所示：
(SAIFILE
(SAIFVERSION "2 .0")
(DIRECTION ?"backward")
(DESIGN)
(DATE ?"Mon May 17 02:33:48 2006")
(VENDOR "Synopsys，Inc")
(PROGRAM_NAME ?"VCS-Scirocco-MX Power Compiler")
(VERSION "1 .0")
(DIVIDER / )
(TIMESCALE ?1 ?ns)
(DURATION ?10000.00)
(INSTANCE tb
(INSTANCE top
??(NET
????(z\3\
????????(T0 6488) (T1 3493) (TX 18)
????????(TC 26) (IG 0)
????)
······
(z\32\
??? ?(T0 6488) (T1 3493) (TX 18)
???????? (TC 26)(IG 0)
?????? )
???? ······
)
(INSTANCE U3
??(PORT
??(Y
??????(TO 4989) (T1 5005) (TX 6)
??????(COND((D1 * !DO)|(! D1*D0)) (RISE)
??????????(IOPATH S (TC 22 )(IG 0)
????????????)
??????COND((D1*!DO)}(!D1，DO))
??????????( IOPATH ?S ?(TC ?21)(IG 0) (FALL)
???????????)
??COND DEFAULT (TC 0)(IG 0)
??)
?······
Gate Backward SAIF文件是通過對門級網(wǎng)表進行仿真所得到的。如果設(shè)計很大，仿真需要的時間很長。好處是精確度很高。VCS所產(chǎn)生的Gate Backward SAIF文件中包含了一些或所有連線的開關(guān)行為和單元的開關(guān)行為。這些開關(guān)行為分別以上升和下降表示，與狀態(tài)和路徑有關(guān)。用這個信息可以進行精確的功耗分析。
③功耗分析
有了門級網(wǎng)表、gate backward SAIF文件和SDF文件，就可以在power ?compiler中進行功耗分析了，分析功耗的流程圖如下所示:
對應(yīng)的一個示例腳本文件如下所示：
set ??target_library ?mylib.db
set ?link_library " * $target_library"
read_verilog ?mynetlist.v
current_design ?top
link
read_read_parasitics ?top.spef
read_ saif -input ?mygate. saif ?-inst ?tb/top
report_power
上面的流程和腳本適用于后版圖(post-layout)的設(shè)計，spef文件在做完版圖后產(chǎn)生。使用寄生參數(shù)文件，提高了功耗分析的精確度。如果是前版圖( pre-layout)的設(shè)計，沒有寄生參數(shù)文件，連線的RC參數(shù)使用工藝庫里的線負載模型。
最后總結(jié)一下，這里分析功耗流程為：
power compiler 產(chǎn)生庫SAIF文件——》VCS產(chǎn)生gate backward SAIF文件——》power compiler進行功耗分析。
(5)VCD轉(zhuǎn)SAIF分析法
前介紹了使用SAIF文件分析功耗的方法，這個方法都是通過VCS仿真得到相應(yīng)的SAIF文件，然后進行功耗分析。下面我們介紹使用VCD文件轉(zhuǎn)換成SAIF文件的方法，然后進行功耗分析。
①VCD文件的產(chǎn)生
首先，我們在進行仿真的時候，需要通過在testbench中加入相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的VCD文件（和SDF文件），流程示意圖如下所示：
相應(yīng)的一個示例testbench如下所示：
module testbench;
······
initial
??$sdf_annotate("my.sdf"，dut)
initial begin
??$dumpfile("vcd.dump");
??$dumpvars;
······
endmodule
然后使用下面命令進行仿真：
vcs ?-R dut.v ?testbench.v ?+delay_mode_path
完成仿真之后，就可以得到VCD文件了。
②VCD文件轉(zhuǎn)換成SAIF文件
仿真時產(chǎn)生的VCD文件也包含了設(shè)計中節(jié)點和連線的開關(guān)行為。在Power Compiler中，可以使用程序vcd2saif可以把VCD文件轉(zhuǎn)化為SAIF文件，如下圖所示：
vcd2saif是在UNIX命令行使用的一個程序。vcd2saif程序也可以把VPD文件(二進制格式的VCD文件)轉(zhuǎn)化為SAIF格式的文件。如果設(shè)計很大，仿真的時間長，vcd2saif程序可以用管道傳遞的方式把VCD轉(zhuǎn)化為SAIF文件。這時vcd文件不存放在文件里，vcd通過先入先出(First-In ?First-()nt，簡稱FIFO把數(shù)據(jù)傳給vcd2saif程序，然后產(chǎn)生SAIF文件。轉(zhuǎn)換的SAIF文件里沒有SDPD的信息。如下圖所示：
有了SAIF文件之后，我們就可以像前面那樣使用SAIF文件進行功耗分析了，至于是版圖前的功耗分析還是版圖后的功耗分析，取決于功耗分析時有沒有與版圖中有關(guān)的信息，比如是SPEF文件。因此流程為：
VCS產(chǎn)生VCD文件——》power compiler 將VCD文件轉(zhuǎn)換為SAIF文件——》power compiler 進行分析功耗
最后，我們來說一下這里使用vcd2saif程序的好處，主要有下面三點：
1. ?VCD產(chǎn)生的速度快;
2. ?VCD是IEEE的標準并且適用于進行后仿真;
3. ?轉(zhuǎn)換的過程快。
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我們已經(jīng)介紹四種為設(shè)計產(chǎn)生開關(guān)行為的方法，分別是直接設(shè)置翻轉(zhuǎn)率、RTL backward SAIF文件、gate back SAIF文件和VCD轉(zhuǎn)SAIF文件；這些方法可以混合使用，其優(yōu)先次序如下所示：
用read_ saif命令標記的開關(guān)行為優(yōu)先級最高;用set_switching_activity命令設(shè)置的開關(guān)行為優(yōu)先級次之;優(yōu)先級最低的是用默認的變量power_default_toggle_rate指定的翻轉(zhuǎn)率。
開關(guān)行為可以被清除，使用“reset_switching_activity”命令可以清除所有被標記的翻轉(zhuǎn)率和通過傳輸?shù)玫降姆D(zhuǎn)率。用report_saif可以顯示讀入saif文件后設(shè)計中的開關(guān)行為信息。一個完整的SAIF文件，"user annotated”應(yīng)該是100%。如果SAIF不完整，那么默認的翻轉(zhuǎn)率將附加到輸入端和黑盒子的輸出端。翻轉(zhuǎn)率通過零延遲仿真?zhèn)鬏斚氯?，這樣就可以計算出設(shè)計的功耗。
使用report_saif命令的一個例子如下：
與開關(guān)行為有關(guān)的命令有:
merge_saif #合并SAIF文件
read_sai f #讀backward SAIF文件
report_saif #報告開關(guān)行為的信息
rtl2saif #產(chǎn)生RTL forward SAIF文件
write_ saif #寫出一個backward SAIF文件
lib2saif #產(chǎn)生library forward SAIF文件
propagate_switching_activity #傳輸功耗清除
reset_switching_activity #清除開關(guān)行為和/或翻轉(zhuǎn)率
set_switching_activity #在指定的物體上設(shè)置開關(guān)行為
(6)功耗分析報告
我們是通過分析功耗報告（report_power命令產(chǎn)生）來查看設(shè)計功耗的，一個功耗報告的示例部分內(nèi)容如下所示：
Cell ?Internal ?Power=883.0439 mW(66%)
Net ?Switching Power=453.0173 mW(34%)
Total ?Dynamic ?Power=1 .3361 W(100%)
Cell Leakage Power = 391.5133 nW
其中第一項為內(nèi)部短路功耗，第二項為開關(guān)功耗，合起來為動態(tài)功耗；最后一項為靜態(tài)功耗，也就是泄漏功耗。如果要報告設(shè)計中每個模塊和單元的功耗，在report_power命令后加選項 -hier，例如: ?report_power ?-hier，產(chǎn)生的報告如下所示：
