在RTL編碼中考慮延時(shí)、面積、功耗與布線的問題

在RTL編碼中考慮延時(shí)

01

看下面一段代碼，第四個(gè)else if 分支中的數(shù)據(jù)信號(hào)DATA_is_late_arriving延時(shí)比較高，要怎么處理，將電路的性能提高？

一般最高優(yōu)先級(jí)給最遲到的關(guān)鍵信號(hào)，因此要將DATA_is_late_arriving這個(gè)信號(hào)單獨(dú)拿出來分析，代碼如下：

再來看下面一段代碼以及其電路圖，假設(shè)A信號(hào)到來比較晚，如何修改能夠提高電路性能？

核心思想還是將延遲高的信號(hào)往后面優(yōu)先級(jí)更高的地方放 ，只需做小小修改即可，代碼如下：

在RTL編碼中考慮面積

02

隨著芯片工藝的進(jìn)步和生產(chǎn)成本的降低，其實(shí)面積已經(jīng)顯得沒有時(shí)序問題那么重要。一般綜合過程中可以對(duì)面積進(jìn)行優(yōu)化，但是在RTL設(shè)計(jì)的時(shí)候還是需要盡量減小面積的開銷，這樣可以達(dá)到事半功倍的效果。

例如RTL代碼中的一個(gè)“+”可能對(duì)應(yīng)著一個(gè)64位的加法器，所以條件語句中的比較運(yùn)算，我們要判斷其必要性，是否能用更簡(jiǎn)單的運(yùn)算代替。

比如判斷A是否小于32（if（A<32）），可以改成判斷A的第五位是否為0（if（A[5]==1'b0）），這兩種表達(dá)形式是等價(jià)的，但是后者的判斷條件更節(jié)省面積，相當(dāng)于用一個(gè)1bit的邏輯門代替一個(gè)6bit的比較器，如果我們遇到定值的比較都可以這么操作。

如果必須使用復(fù)雜的運(yùn)算符，則應(yīng)考慮是否可以資源共享，盡管電路邏輯綜合工具也會(huì)在綜合的過程中采用資源共享的方法進(jìn)行優(yōu)化，但是，綜合器的策略是有限的，因此，在編寫RTL的時(shí)候，應(yīng)該盡量考慮共享，而不是把這項(xiàng)工作完全留給綜合工具。

如上面的代碼所示，右邊是修改之后的代碼，這樣可以減少兩個(gè)不必要的加法器，實(shí)際的設(shè)計(jì)中資源共享可能不會(huì)像這樣明顯，因此平時(shí)應(yīng)該按照這樣的思路多多練習(xí)。

還有一種情況就是關(guān)于多比特位的信號(hào)問題， 多比特位操作意味著成倍使用資源 ，在使用多比特位的信號(hào)時(shí)，看看這個(gè)信號(hào)是否所有比特位都需要參與操作，如果不是，則可以只對(duì)需要的部分比特進(jìn)行操作。例如訪問RAM的地址有8比特，而寫入操作時(shí)從0開始，每隔32個(gè)地址寫入一個(gè)值，地址的產(chǎn)生可以有兩種寫法。顯然右邊這種寫法操作的比特位會(huì)比左邊的代碼少。

在RTL編碼中考慮功耗

03

一個(gè)電路中的功耗影響因素主要以下4個(gè)因素： 該點(diǎn)電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)、電路的工作頻率、該點(diǎn)的電容還有電壓值 。

但是負(fù)載電容、工作電壓和工作頻率這些都是RTL設(shè)計(jì)無法改變的因素，因此在RTL級(jí)設(shè)計(jì)主要考慮盡量降低電路的翻轉(zhuǎn)頻率。

主要措施包括如下：

①門控時(shí)鐘；

②增加使能信號(hào)，使得部分電路只有在需要工作時(shí)才工作；

（門控時(shí)鐘與增加使能的區(qū)別是：門控時(shí)鐘是關(guān)掉時(shí)鐘，而使能關(guān)閉的是電路的功能，但是時(shí)鐘仍然在翻轉(zhuǎn)，顯然門控時(shí)鐘更好）

③對(duì)芯片各個(gè)模塊進(jìn)行控制，在需要工作時(shí)才工作；

④除了有用信號(hào)和時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)會(huì)消耗功耗，組合邏輯產(chǎn)生的毛刺也會(huì)大量消耗功耗。但是毛刺在設(shè)計(jì)中無法避免，因此，只有盡量減少毛刺在電路中的傳播，才可以減少功耗。即在設(shè)計(jì)中，盡量把產(chǎn)生毛刺的電路放在傳播路徑的最后。另外可以使用一些減少毛刺的技術(shù)；

⑤對(duì)于有限狀態(tài)機(jī)，可以通過低功耗編碼來減少電路的翻轉(zhuǎn)，比如將二進(jìn)制編碼改為獨(dú)熱碼、格雷碼等。

在RTL編碼中考慮布線問題

04

如果可以在RTL編碼階段考慮代碼，可能對(duì)布線產(chǎn)生的影響就可以避免最后出現(xiàn)無法布通的情況。

熱點(diǎn)是指設(shè)計(jì)的功能需要在一個(gè)面積內(nèi)占用大量的布線資源。熱點(diǎn)產(chǎn)生原因：RTL編碼時(shí)使用了特定的結(jié)構(gòu)，如很大的mux。

這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱點(diǎn)，在綜合的時(shí)候，導(dǎo)致的延遲是看不出來的，只有到了布線階段才能給看到它的負(fù)面影響。因此，我們?cè)赗TL階段應(yīng)該重視這種電路，及早發(fā)現(xiàn)可能在布線階段產(chǎn)生的問題。

如果設(shè)計(jì)的功能中確實(shí)需要采用很大的mux，可以通過其他方式改變他的結(jié)構(gòu)。其基本的思想就是將一個(gè)大的mux分解為多級(jí)較小的mux。