HY333 Εργαστηριακή Σχεδίαση Ψηφιακών Κυκλωμάτων με εργαλεία Ηλεκτρονικού Σχεδιαστικού Αυτοματισμού Διδάσκων: Χ. Σωτηρίου http://inf-server.inf.uth.gr/courses/ce333/ 1 Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 2 1
Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 3 Καθυστέρηση και Παράγοντες που την επηρεάζουν Καθυστέρηση Συνδυαστικής Πύλης Καθυστέρηση Ακολουθιακής Πύλης input output t D clk Q setup time clock to Q delay 4 Παράγοντες: Γενικά: Καθυστέρηση Χρόνος ανόδου/καθόδου Δ = fd(c out, t r/f(input) ) t r/f(output) = fr(c out, t r/f(input) ) Ομοίως με τα συνδυαστικά με επιπλέον περιορισμούς: Πρόθεσης (Setup) Διατήρησης (Hold) Ο πρώτος ορίζει την μέγιστη συχνότητα ενώ ο δεύτερος επιβάλλει ελάχιστη καθυστέρηση μεταξύ καταχωρητών 2
Τύποι Ακμών στην Στατική Χρονική Ανάλυση Συνδυαστική Πύλη: Ακμές από τις εισόδους στις εξόδους A B Y C Ακολουθιακή Πύλη: Ακμές Ρολογιού: (1) καθυστέρηση DQ, (2) έλεγχος χρονισμού D Qn Clk Q 5 Ιστορικό Μοντέλων Καθυστέρησης 6 3
PMOS Slow Fast Design Corners «Γωνίες Διεργασίας» FS FF TT SS FS Slow Fast NMOS 7 Χαρακτηριστικά Environmental parameters Process parameter Corner Voltage Temperature Vth Voltage Fast V nom +10% -40 0 C V thnom -ΔV th Slow V nom -10% 125 0 C V thnom +ΔV th Typical V nom 27 0 C V thnom 8 4
Υπολογισμός Καθυστέρησης Πύλης Process, Voltage Temperature (PVT) Καθυστέρηση, Δ = LUT(C out, t r/f(input) ) Χρόνος Ανόδου Καθόδου, t r/f(output) = LUT(C out, t r/f(input) ) Όπου: t r/f(input) υπολογίζεται βάση της πύλης που την οδηγεί ή την είσοδο C out συνυπολογίζει την συνολική χωρητικότητα στην έξοδο, ΣC. 9 Υπολογισμός Καθυστέρησης Πύλης με LUT (.lib) C load (ff) 50 0 5 10 500 505 510 T in (ps) 70 90 110 115pS 310 330 What is the delay when Cl oad is 505f F and T in is 90pS? 10 5
Υπολογισμός Καθυστέρησης Πύλης Ο υπολογισμός γίνεται βάση ενός 2Δ πίνακα: Input Transition (ns) Total Cload (ff) 0.2 0.3 0.4 0.5 0 3 4.5 6 7 0.1 5 8 10 13 Γίνεται αναγωγή (interpolation) στις κοντινότερες τιμές Το ίδιο μοντέλο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του χρόνου ανόδου/καθόδου 11 Υπολογισμός Καθυστέρησης Συνδέσεων Το μήκος ενός αγωγού, L, εξαρτάται από το πλήθος των συνδέσεων του Για το σχετικό χώρο στην κάτοψη, υπολογίζονται Cμέσο, Rμέσο Η Καθυστέρηση είναι ανάλογη του Rμέσο.Cμέσο Χωρητικότητα Αντίσταση συναρτήση του συναρτήση του πλήθους συνδέσεων πλήθους συνδέσεων (fanout): (fanout): Για fanout = 3 1 0.015 1 0.012 Net delay = 0.046 * 0.020 2 0.030 3 0.046 2 0.016 3 0.020 12 6
Τύποι Περιορισμών 13 Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 14 7
Ακολουθιακά Στοιχεία: Flip-Flop και Latch D-Type Flip-Flop Το παραπάνω FF, μεγαλύτερου εμβαδού, πρακτικά αποτελείται από τρείς μανταλωτές (D, CLK), (CLK, Y), (S, R) 15 Ακολουθιακά Στοιχεία: Flip-Flop Όταν το CLK στο latch κάνει μετάβαση 10, τα 2 αριστερά latches κλείνουν Αν το D αλλάζει κατά την διάρκεια του κλεισίματος, δηλ. σε χρόνο μικρότερο από την καθυστέρηση των SR, τότε το latch εξόδου δεν θα αποθηκεύσει την σωστή κατάσταση Η τελική κατάσταση που θα αποθηκευτεί θα εξαρτάται από τον θόρυβο και δρομήσεις στο κύκλωμα Περιορισμοί Setup (Πρόθεσης) και Hold (Διατήρησης) FF CLK (Clock) Setup Hold D (Data) 16 8
Flip-Flop: Χρονικές Παράμετροι T c2qm T c2q D Q Clk T su T hd Clk D A B Q Η είσοδος D πρέπει να μείνει σταθερή τουλάχιστον για χρόνο T su (setup time) πρίν την ακμή του ρολογιού και τουλάχιστον T hd (hold time) μετά την ακμή. Ένα παράθυρο χρόνου γύρω από την ακμή του ρολογιού για το οποίο η είσοδος πρέπει να μείνει σταθερή Η έξοδος Q αλλάζει λίγο μετά την ακμή του ρολογίου Τ c2q είναι ο χρόνος καθυστέρησης από την ακμή στην έξοδο (propagation delay) Τ c2qm είναι ο ελάχιστος χρόνος καθυστέρησης από την ακμή στην έξοδο (αρχίζουν να αλλάζουν τα δεδομένα) 17 A B Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 18 9
Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Πιθανή Ανάδραση Πρωτεύουσες Είσοδοι (Primary Inputs) Πιθανή Ανάδραση Συνδυαστική Λογική (Σ.Λ.) Καταχωρητές Πιθανή Ανάδραση Συνδυαστική Λογική (Σ.Λ.) Καταχωρητές Πρωτεύουσες Έξοδοι (Primary Outputs) Ρολόι Συνδέσεις, Καταχωρητές αποτελούνται από πολλαπλά bit Καταχωρητές Σύνολο Flip-flop Συνοριακά Στοιχεία Πρωτεύουσες Είσοδοι (Primary Inputs) Συνδυαστική Λογική (σύννεφο) Τοπικές Έξοδοι = f(τοπικών Εισόδων) Είναι πιθανό να υπάρχει ανάδραση μεταξύ των τμημάτων 19 Ορισμός Ρολογιού ως SDC 20 10
Είδη Μονοπατιών Σαν μονοπάτι ορίζουμε μια διαδρομή πυλών, η οποία αντιστοιχεί σε περιορισμό setup ή hold τα κυκλώματα συνήθως αναπαριστώνται ως γράφοι (κόμβοι = πύλες, ακμές = συνδέσεις), έτσι η έννοια του μονοπατιού είναι όμοια με ένα μονοπάτι στον γράφο Διακρίνουμε τριών ειδών μονοπάτια που ενδιαφέρουν ως προς τους χρονικούς περιορισμούς: Από Είσοδο σε Καταχωρητή Από Καταχωρητή σε Καταχωρητή (στον εαυτό του ή άλλον) Από Καταχωρητή σε Έξοδο 21 Παράδειγμα Κυκλώματος Σειριακός Ολισθητής με Παράλληλη Φόρτιση Μονοπάτια και Καταχωρητές 1 bit Συνδυαστική Λογική πολυπλέκτης Δεν υπάρχει ανάδραση μεταξύ των τμημάτων Σ.Λ. 22 11
Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 23 Στατική Χρονική Ανάλυση D Q D Q Συνδυαστική Λογική (Σ.Λ.) D Q D Q Ρολόι Χρονικές Παράμετροι Καταχωρητών T clk : Περίοδος Ρολογιού T su : Setup time T hd : Hold time T c2q : Clock to Q (worst-case) T c2qm : Clock to Q (min) Χρονικές Παράμετροι Σ.Λ. T cl : Μέγιστη Καθυστέρηση Σ.Λ. Κρίσιμο μονοπάτι T clm : Ελάχιστη Καθυστέρηση Σ.Λ. Ελάχιστο μονοπάτι 24 12
ΣΧΑ Ελάχιστη Περίοδος D Q Συνδυαστική 1 Λογική (Σ.Λ.) D Q 2 D Q CL out Clk Clk In T su T hd a b Q T 1 c2q a b T c2qm CL out A B T clogm T cl T su2 T clk T c2q + T cl + T su 25 ΣΧΑ Περιορισμός Διατήρησης (Hold) D Q Συνδυαστική 1 Λογική (Σ.Λ.) D Q 2 D Q Clk Clk In T su T hd a b Q T 1 c2q a b T c2qm CL out A B T clm T cl T hd2 T hd T c2qm + T clm 26 13
Στατική Χρονική Ανάλυση Γενικά, για σωστή λειτουργία πρέπει για όλα τα μονοπάτια να ισχύει: T clk T c2q + T cl + T su T hd T c2qm + T clm Πώς βρίσκουμε όλα τα μονοπάτια ; Από κάθε είσοδο ή έξοδο καταχωρητή σε κάθε είσοδο καταχωρητή ή έξοδο του κυκλώματος Το πιο αργό μονοπάτι συνδυαστικής λογικής είναι αυτό που καθορίζει το T cl (οπότε και την ελάχιστη περίοδο) και λέγεται κρίσιμο μονοπάτι. Ο εντοπισμός του μας δίνει τη δυνατότητα να προσπαθήσουμε να απλοποιήσουμε την λογική του μονοπατιού και να πετύχουμε υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας του κυκλώματος. 27 Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 28 14
Παράδειγμα (1/6) T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Ποιό είναι το κρίσιμο μονοπάτι; Πόση είναι η ελάχιστη περίοδος ρολογιού; Καλύπτονται όλες οι συνθήκες χρονισμού; 29 Παράδειγμα (2/6) T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Ποιό είναι το κρίσιμο μονοπάτι; 30 15
Παράδειγμα (3/6) T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Πόση είναι η ελάχιστη περίοδος ρολογιού; T min = T c2q + T and + T mux + T and + T su = 7.9 ns 31 Παράδειγμα (4/6) T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Καλύπτονται όλες οι συνθήκες χρονισμού; OXI!!! Έχουμε T clm = 0 ns και T c2qm = 0.2ns Πρέπει T hd T c2qm + T clm 32 16
Παράδειγμα (5/6) 0 T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Καλύπτονται όλες οι συνθήκες χρονισμού; Πρέπει T hd T c2qm + T clm Προσθέτουμε μια πύλη με Τ or = 1ns (αρκεί;) Έστω T orm = T or και γενικά για όλες τις πύλες, Τώρα ΝAI!!! Έχουμε T clm = 1ns και T c2qm = 0.2ns 33 Παράδειγμα (6/6) T and = 2ns, T or = 1ns, T mux = 3ns, T c2q = 0.5ns, T c2qm = 0.2ns, T su =0.4ns, T hd = 0.3ns Καλύπτονται όλες οι συνθήκες χρονισμού; Πρέπει T hd T c2qm + T clogm Συνήθως βάζουμε 2 αντιστροφείς (έστω T invm = 0.3ns) ΟΚ!!! Έχουμε T clm = 0.6 ns και T c2qm = 0.2ns 34 17
Αναλυτικότερα 35 Αναλυτικότερα 36 18
Κατά Μονοπάτι (Path-based) ή Κατά Πλάτος (Block-based) Ανάλυση Κατά Μονοπάτι (Path-based) Κατά Πλάτος (Block-based) 1. Καταμέτρηση Μονοπατιών του Κυκλώματος 2. Για κάθε μονοπάτι, αξιολογείται ο χρόνος άφιξης, AT, βάση των συναποτελούντων του πυλών, και συγκρίνεται με τον περιορισμό RAT 3. Περιθώριο: Slack = RAT - AT Ο αριθμός των μονοπατιών ενός κυκλώματος είναι εκθετικός, Ο(K N ), για Ν, τον αριθμό των πυλών που το συναποτελούν. 1. Υπολογισμό Χρόνου Άφιξης, AT, ανά δομικό στοιχείο του κυκλώματος, δηλ. πύλες, συνδέσεις, εισόδους/εξόδους, από τις εισόδους προς τις εξόδους 2. Υπολογισμό περιορισμού, RAT, αντίστροφα, από τις εξόδους προς τις εισόδους 3. Περιθώριο: Slack = RAT - AT 37 Κατά Μονοπάτι (Path-based) ή Κατά Πλάτος (Block-based) Ανάλυση AT=2 AT=5 3 1 2 1 3 1 3 2 RAT=10 Κατά Μονοπάτι: 2+2+3 = 7, SLACK = 3 2+3+1+3 = 9, SLACK = 1 2+3+3+2 = 10, SLACK = 0 5+1+1+3 = 10, SLACK = 0 5+1+3+2 = 11, SLACK = -1 5+1+2 = 8, SLACK = 2 AT=2 AT=5 AT=2 RAT=5 3 1 AT=5 RAT=4 2 1 AT=6 RAT=5 3 1 AT=7 RAT=7 AT=9 RAT=8 3 2 RAT=10 AT=11 RAT=10 Κατά Πλάτος: Σε κάθε κόμβο υπολογίζουμε το χείριστο χρόνο άφιξης, AT,αναλύοντας προς τα εμπρός, και τον απαιτούμενο χρόνο άφιξης, RAT,αναλύοντας προς τα πίσω 38 19
Τύποι Μονοπατιών In Out In Out Είσοδος προς Καταχωρητή Καταχωρητή προς Έξοδο Καταχωρητή προς Καταχωρητή Είσοδο προς Έξοδο 39 Χρόνος Άφιξης Χρόνος Άφιξης (Input Arrival Time) Παράθυρο, σχετικό με την κοντινότερη ακμή του ρολογιού, στο οποίο αφικνείται ένα σήμα εισόδου στην σχετική είσοδο set_input_delay 1 clock clk 40 20
Απαιτούμενος Χρόνος Αναχώρησης Χρόνος Αναχώρησης (Output DepartureTime) Παράθυρο, σχετικό με την κοντινότερη ακμή του ρολογιού, στο οποίο αναχωρεί ένα σήμα εξόδου από την σχετική έξοδο set_output_delay 1 clock clk 41 Υπολογισμός Συνθήκης Διατήρησης (Hold) Χείριστη Περίπτωση: Ελάχιστος χρόνος άφιξης δεδομένων στον καταχωρητή (από ρολόι αποστολέα ή πρωτεύουσα είσοδο) Μέγιστος χρόνος άφιξης ρολογιού στον καταχωρητή (από ρολόι παραλήπτη ή απαιτούμενος χρόνος αναχώρησης) Περιθώριο (Slack) Περιθώριο = Χρόνος Άφιξης Απαιτούμενος Χρόνος Άφιξης = [Min(Άφιξη Ρολογιού απ.+ Καθυστέρηση Μονοπατιού απ.)] [Max(Άφιξη Ρολογιού παρ. + Καθυστέρηση Δέντρου παρ.) + T hd ] 42 21
Υπολογισμός Συνθήκης Διατήρησης (Hold) Min(ακμή) = 8.002s Min(καθυστέρηση ρολογιού) = 0.002ns Min(καθυστέρηση λογικής) = 0.802ns T hd = 1.046ns Max(ακμή) = 2.02ns Max(καθυστέρηση ρολογιού) = 0.500ns 43 Υπολογισμός Συνθήκης Διατήρησης (Hold) 44 22
Υπολογισμός Συνθήκης Πρόθεσης (Setup) Χείριστη Περίπτωση: Μέγιστος χρόνος άφιξης δεδομένων στον καταχωρητή (από ρολόι αποστολέα ή πρωτεύουσα είσοδο) Ελάχιστος χρόνος άφιξης ρολογιού στον καταχωρητή (από ρολόι παραλήπτη ή απαιτούμενος χρόνος αναχώρησης) Περιθώριο (Slack) Περιθώριο = Χρόνος Άφιξης Απαιτούμενος Χρόνος Άφιξης = [Max(Άφιξη Ρολογιού απ.+ Καθυστέρηση Μονοπατιού απ.)] [Min(Άφιξη Ρολογιού παρ. + Καθυστέρηση Δέντρου παρ.) + T setup ] 45 Υπολογισμός Συνθήκης Πρόθεσης (Setup) Max(ακμή) = 2.02ns Max(καθυστέρηση ρολογιού) = 0.002ns Max(καθυστέρηση λογικής) = 13.002ns T setup = 0.046ns Min(ακμή) = 20.02ns Min(καθυστέρηση ρολογιού) = 0.500ns 46 23
Υπολογισμός Συνθήκης Πρόθεσης (Setup) 47 Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 48 24
Απαγορευμένη Δομή Ρολογιού - 1 49 Απαγορευμένη Δομή Ρολογιού - 2 50 25
Ρολόγια Το ρολόι δεν φτάνει απολύτως ταυτόχρονα σε κάθε καταχωρητή απόκλιση (skew) Εξαρτάται από την καθυστέρηση των μονοπατιών του δέντρου Πριν την φυσική σχεδίαση, το ρολόι θεωρείται ιδανικό Prelayout: Postlayout: Clk Clk.... set_clock_uncertainty μοντελοποιεί απόκλιση (skew) set_clock_latency μοντελοποιεί την καθυστέρηση του Δέντρου set_propagated_clock κυριολεκτικές καθυστερήσεις άφιξης του Ρολογιού 51 Περιορισμοί στο Ρολόι Απόκλιση (Skew) D AQ B Clk Δ Αν Δ = 0, το σύστημα εναλλάσσει τιμές ΑΒ, ΒΑ, Στο παραπάνω παράδειγμα απόκλισης άφιξης μπορεί να εμπεριέχεται και συνδυαστική λογική μεταξύ Α, Β. Τι θα συμβεί καθώς το Δ 0, και το Δ μεγαλώνει; Ο διαθέσιμος χρόνος ΒΑ μικραίνει Αν Δ Τc2q, τότε η είσοδος του Β θα έχει γίνει Β, μια και θα έχει επαναγραφεί το Α, άρα θα μείνουμε με ΒΒ, ΒΒ, 52 26
Απόκλιση (Skew) και Τρίκλισμα (Jitter) Απόκλιση (Skew) Σταθερή από κύκλο σε κύκλο Απόκλιση στους χρόνους άφιξης στο σήμα ρολογιού στα διαφορετικά σημεία του κυκλώματος Τρίκλισμα (Jitter) Μεταβλητή απόκλιση από μεταβατικά, περιοδικά η μη φαινόμενα σε συγκεκριμένο σημείο του κυκλώματος Τ jitter Τ skew 53 Θετική και Αρνητική Απόκλιση (α) Θετική Απόκλιση Ρολόι και Δεδομένα προς την ίδια κατεύθυνση (β) Αρνητική Απόκλιση Ρολόι και Δεδομένα προς αντίθετη κατεύθυνση 54 27
Θετική Απόκλιση Η ακμή αποστολής καταφτάνει πριν την ακμή λήψης 55 Αρνητική Απόκλιση Η ακμή λήψης καταφτάνει πριν την ακμή αποστολής 56 28
Τρίκλισμα (Jitter) Το τρίκλισμα προκαλεί δυναμική μεταβολή της περιόδου Τ από κύκλο σε κύκλο 57 ΣΧΑ με Απόκλιση και Τρίκλισμα Απόκλιση: T sk = δ Τρίκλισμα : T jt t clk1 t clk2 T clk T c2q + T cl + T su - T sk + 2T jt (χείριστη περίπτωση μέγιστης καθυστέρησης) T hd T c2qm + T clm - T sk - 2T jt (χείριστη περίπτωση ελάχιστης καθυστέρησης 58 29
ΣΧΑ με Απόκλιση και Τρίκλισμα Απόκλιση: T sk = δ Τρίκλισμα : T jt 59 Πηγές Απόκλισης, Τρικλίσματος (1): Γεννήτρια ρολογιού (PLL) Τρίκλισμα (3): Μεταβλητότητα στις Συνδέσεις Απόκλιση (2): Μεταβλητότητα στους οδηγούς Απόκλιση (4, 5): Μεταβλητότητα στην τάση πηγής, θερμοκρασία Τρίκλισμα και Απόκλιση (6, 7): Αλληλοεπίδραση μέσω Χωρητικότητας (Παρασιτικές Συνδέσεις Πυκνωτών) Τρίκλισμα 60 30
Ψευδές Μονοπάτι Υπαρκτά μονοπάτια στο σχέδιο, που όμως δεν είναι λειτουργικά Δεν ευαισθητοποιούνται υπό οποιεσδήποτε συνθήκες Mux 1 Mux 2 A B B1 B2 C C1 C2 OUT S 61 Μονοπάτια Πολλαπλών Κύκλων Μονοπάτια καθυστέρησης 1 κύκλου Καθυστέρηση 2 κύκλων 62 31
Ψευδή Μονοπάτια και Πολλαπλών Κύκλων Αν δυο ρολόγια είναι ασύγχρονα μεταξύ τους, δεν ελέγχονται σχέσεις πρόθεσης/διατήρησης (setup/hold) set_false_path from CLKA to CLKB set_false_path from CLKB to CLKA Μονοπάτια που δεν έχουν σχέση με τον χρονισμό, λ.χ. σημάτων αρχικοποίησης set_false_path from reset Περιορισμοί πολλαπλών κύκλων, λ.χ. σε έναν πολλαπλασιαστή A(64:0) B(64:0) * C(64:0) clk T=5ns, Multiplier Delay Δ = [20,30] set_multicycle_path setup 6 Ανάθεσε 6 περιόδους για έλεγχο πρόθεσης set_multicycle_path hold 4 Πρόσθεσε 4 περιόδους για έλεγχο διατήρησης Ο έλεγχος διατήρησης γίνεται στους 2 τελευταίους κύκλους 63 Δέντρα/Δίκτυα Ρολογιού και ΣΧΑ Καταχωρητής Χρόνοι Άφιξης Ενισχυτής Buffer Καταχωρητής Ρίζα - CLK Ενισχυτής Buffer Απόκλιση Καταχωρητής Καταχωρητής Τύποι Δικτύων Ρολογιού Δέντρο (όπως δεξιά) Πλέγμα (Mesh) Ενισχυτής Buffer Καταχωρητής Καταχωρητής 64 32
Δέντρα/Δίκτυα Ρολογιού και ΣΧΑ Καθυστέρηση Δέντρου Δ(άφιξη στην ρίζα, άφιξη στο φύλλο) Διαφοροποιείται ανάλογα με την ακμή! Και η καθυστέρηση και η απόκλιση διαφοροποιούνται ανάλογα με την ακμή! INV INV Rise=7 Fall=4 INV Rise=7 Fall=4 INV Rise=7 Fall=4 INV Rise=7 Fall=4 CLKA CLK INV Rise=7 Fall=4 BUF Rise=7 Fall=4 CLKB BUF Rise=7 Fall=4 CLKC 65 Δέντρα/Δίκτυα Ρολογιού και ΣΧΑ 66 33
Δέντρα/Δίκτυα Ρολογιού και ΣΧΑ Απόκλιση η απόκλιση είναι η διαφορά μεταξύ της καθυστέρησης, Δ(άφιξη στην ρίζα, άφιξη στο φύλλο), στα διαφορετικά φύλλα Μεταξύ CLKA και CLKB Για ακμή ανόδου: 22 8 = 14 Για ακμή καθόδου: 22 14 = 8 Μεταξύ CLKB και CLKA Για ακμή ανόδου: 8 7 = 1 Για ακμή καθόδου: 14 4 = 10 Μεταξύ CLKA και CLKC Για ακμή ανόδου: 22 7 = 15 Για ακμή καθόδου: 22 4 = 18 67 Διάταξη Η-Δένδρου Με τέλεια ισοσκέλιση των μονοπατιών η απόκλιση μπορεί να γίνει μηδέν Μπορεί να υποστηρίξει φραγή του ρολογιού σε διάφορα επίπεδα του δένδρου 68 34
Πραγματικό Η-Δέντρο 69 Περιεχόμενα Καθυστέρηση και παράγοντες που την επηρεάζουν Συνδυαστική Πύλη Ακολουθιακή Πύλη Περιορισμοί Πρόθεσης (Setup), Διατήρησης (Hold) Γενικό Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος Είδη Μονοπατιών Στατική Χρονική Ανάλυση Βάση Περιορισμών Παραδείγματα Στατικής Χρονικής Ανάλυσης Χρονικοί Περιορισμοί στο Ρολόι Σχεδίαση Δέντρων Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) 70 35
Φραγή Ρολογιού (Clock Gating) Κατά ένα μεγάλο ποσοστό, οι καταχωρητές διατηρούν την τιμή τους από κύκλο σε κύκλο Ιδέα να εμποδίσουμε την σχετική μετάβαση του ρολογιού Στόχος Μείωση δυναμικής κατανάλωσης ενέργειας clk clk en en_1 en_2 en_3 en_4 71 Φραγή Ρολογιού με χρήση Μανταλωτή Το σήμα ενεργοποίησης (Enable) είναι σταθερό μόνο πριν την σχετική ακμή Χρησιμοποιούμε μανταλωτή πολικότητας αντίθετης των flip-flop Enable Clock D G Latch Q Gated_clock Clock Stability region Enable Q Gated_clock 72 36