[shared] PrimeTime 时序分析流程2009-10-27 08:22PrimeTime是Synopsys的一个单点的全芯片、门级静态时序分析器。它能分析大规模、同步、数字ASICS的时序。PrimeTime工作在设计的门级层次，并且和Synopsys其它工具整合得很紧密。
基本特点和功能：
时序检查方面：
建立和保持时序的检查（Setup and hold checks）
重新覆盖和去除检查（Recovery and removal checks）
时钟脉冲宽度检查(Clock pulse width checks)
时钟门锁检查(Clock-gating checks)
设计检查方面：
没有时钟端的寄存器
没有时序约束的结束点（endpoint）
主从时钟分离（Master-slave clock separation）
有多哥时钟的寄存器
对层次敏感的时钟（Level-sensitive clocking）
组合电路的反馈环（Combinational feedback loops）
设计规则检查，包括最大电容(maximum capacitance)、最大传输时间(maximum transition)和最大扇出(maximum fanout)

PrimeTime 时序分析流程和方法：
在时序分析之前需要做的步骤：
1、   建立设计环境
-   建立搜索路径（search path）和链接路径（link path）
-   读入设计和库
-   链接顶层设计
-   建立运作条件、连线负载模型、端口负载、驱动和传输时间
2、   说明时序声明（约束）
-   定义时钟周期、波形、不确定性(uncertainty)和滞后时间(latency)
-   说明输入、输出端口的延时
3、   说明时序例外情况（timing exceptions）
-   多周期路径（multicycle paths）
-   不合法路径(false paths)
-   说明最大和最小延时、路径分割（path segmentation）和失效弧（disabled arcs）
4、   进行分析和生成报告
-   检查时序
-   生成约束报告
-   生成路径时序报告

开始
先建立目录并将PrimeTime本身所带的一个例子拷到新建的目录下，在下面的内容中将要用到这个例子。
mkdir primetime
cd primetime
cp –r $SYNOPSYS/doc/pt/tutorial .
cd tutorial
确认目录中有以下这些文件：
AM2910.db             The design .db for the top-level of the design
CONTROL.db           The design .db for the CONTROL block
REGCNT.db             The design .db for the REGCNT block
UPC.db               The design .db for the UPC block
Y.data               The Stamp data file for the Y block
Y.mod               The Stamp model file for the Y block
Y_lib.db               The library .db for the Y block
STACK_lib.db           The library .db for the STACK block
pt_lib.db               The technology library .db
stack.qtm.pt             The quick timing model script. for the stack block
optimize.dcsh           The dc_shell optimization script
timing.dcsh             An example DC shell timing script. for translation
tutorial.pt               The complete PrimeTime tutorial script. for your
reference.

例子是一个AM2910微处理器，如图所示模块图。

运行PrimeTime：
pt_shell

定义搜索路径和链接路径：
pt_shell>set search_path “.”
Pt_shell>set link_path “* pt_lib.db STACK_lib.db Y_lib.db”
* pt_lib.db STACK_lib.db Y_lib.db

读入设计：
PrimeTime支持以下设计格式：
. Synopsys database files (.db) (Use the read_db command)
. Verilog netlist files (Use the read_verilog command)
. Electronic Design Interchange Format (EDIF) netlist files (Use the read_edif command.)
. HDL" nclick="tagshow(event)" class="t_tag">VHDL netlist files (Use the read_vhdl command.)
读入AM2910的顶层设计文件：
pt_shell> read_db AM2910.db
Loading db file '/u/joe/primetime/tutorial/AM2910.db'
1

链接设计：
pt_shell> link_design AM2910
Loading db file '/u/joe/primetime/tutorial/pt_lib.db'
Loading db file '/u/joe/primetime/tutorial/STACK_lib.db'
Loading db file '/u/joe/primetime/tutorial/Y_lib.db'
Linking design AM2010 ...
Loading db file '/u/joe/primetime/tutorial/STACK.db'
...
Designs used to link AM2910:
CONTROL, REGCNT, STACK, UPC, Y
Libraries used to link AM2910:
STACK_lib, Y_lib, pt_lib
Design 'AM2910' was successfully linked

显示当前已载入的设计：
pt_shell>list_designs
得到当前载入单元的信息：
pt_shell>report_cell

编译一个标记模型（Stamp Model）：
标记模型是一个诸如像DSP或RAMS那样复杂模块的静态时序模型。
标记模型与.lib模型共存，而不能代替它们。
-   建立标记模型是用在晶体管层次的设计上，在这个层次上没有门级网表。
-   标记模型语言是一种源代码语言，被编译成Synopsys的.db文件格式，可以被PrimeTime或Design Compiler使用。
-   标记模型包含引脚到引脚的时序弧、建立和保持时间数据、模式信息、引脚的电容和驱动能力等等。标记模型还能保存属性（面积等等）。
-   三态输出、锁存器和内部生成的时钟都可以被建模。
一个标记模型包括两种源代码文件格式：
-   .mod文件
仅包含引脚到引脚的弧的描述（没有延时数据）。
-   .data文件
包含.mod文件中每条弧的延时数据。
标记模型可以有多个.data文件来描述不同运作条件下的时序。
两种文件格式都需要编译成一个.db模型。

编译AM2910中Y模块的标记模型（标记源代码文件是Y.mod和Y.data）：
pt_shell> compile_stamp_model -model_file Y.mod \
-data_file Y.data -output Y
Wrote model library core to ‘./Y_lib.db’
Wrote model to ‘./Y.db’
PrimeTime生成两个.db文件：
Y_lib.db：一个库文件，包含一个单元(cell)。这个单元叫做核(core)。
Y.db：一个设计文件，引用Y_lib.db中的单元核。

编译一个快速时序模型(Quick Timing Model)：
可以为设计中还没有完成的模块建立一个快速时序模型，以使得完整的时序分析能够进行。通常的情形是：
-   模块的HDL代码还没有完成时
-   为了划分设计，在评估阶段为实际设计进行时序预测、约束估计时
-   模块的标记模型还没有完成时
一个快速时序模型是一组PrimeTime命令，而不是一种语言。为了方便和文档化可以将它们写在一个脚本文件中，然后保存为.db的格式。在PrimeTime和Design Compile中快速时序模型很有用处。
还可以将快速时序模型保存为标记模型，这是开始一个复杂标记模型的一种便利的方法。
例子中STACK模块的快速时序模型脚本文件是stack.qtm.pt，建立这个模型：
pt_shell> source -echo stack.qtm.pt
...
pt_shell> report_qtm_model;
...
pt_shell> save_qtm_model -output STACK -format db
Wrote model library core to './STACK_lib.db'
Wrote model to './STACK.db'

进行时序分析
配置运作环境

读入并链接AM2910设计：
pt_shell> set search_path "."
pt_shell> set link_path "* pt_lib.db STACK_lib.db Y_lib.db"
pt_shell> read_db AM2910.db
pt_shell> link_design AM2910
链 接了AM2910会导致其它已经链接的设计变为不链接的状态。在内存里只允许有一个链接的设计。当一个设计不链接，所有时序信息将被去除，并会出现警告， 这和Design Compiler不同。如果需要保存所标注的信息，可以在链接一个新的设计之前用write_script命令。如果以后重新链接这个设计，只要运行这个 脚本就可以了。

建立运作条件和连线负载模型：
PrimeTime在生成建立时序报告(setup timing reports)时使用最大(Maximum)运作条件和连线负载模型；在生成保持时序报告(hold timing reports)时使用最小(Minimum)运作条件和连线负载模型。
pt_shell> set_operating_conditions -library pt_lib -min BCCOM -max WCCOM
pt_shell> set_wire_load_mode top
pt_shell> set_wire_load_model -library pt_lib -name 05x05 -min
pt_shell> set_wire_load_model -library pt_lib -name 20x20 –max
如果运作条件在两个不同的库中，用set_min_library命令来在最大库和最小库中建立联系。
得到一张库的列表：
pt_shell> list_libraries
Library Registry:
STACK_lib /home/gray/primetime/tutorial/
STACK_lib.db:STACK_lib
Y_lib /home/gray/primetime/tutorial/Y_lib.db:Y_lib
* pt_lib /home/gray/primetime/tutorial/
pt_lib.db:pt_lib
得到一个库的详细信息：
pt_shell>report_lib pt_lib

基本声明：
pt_shell> create_clock -period 30 [get_ports CLOCK]
pt_shell> set clock [get_clock CLOCK]
pt_shell> set_clock_uncertainty 0.5 $clock
pt_shell> set_clock_latency -min 3.5 $clock
pt_shell> set_clock_latency -max 5.5 $clock
pt_shell> set_clock_transition -min 0.25 $clock
pt_shell> set_clock_transition -max 0.3 $clock

时钟门锁检查(Clock-Gating Checks)：
pt_shell> set_clock_gating_check -setup 0.5 -hold 0.1 $clock
pt_shell> set_min_pulse_width 2.0 $clock
如果设计被反标过，PrimeTime用SDF的建立和保持时间值，以及时钟脉冲宽度说明。

得到一个时序摘要：
pt_shell>report_design
…
pt_shell>report_reference
…

检查时序声明和设计的结构：
在进行时序分析之前运行check_timing命令是关键。这个命令能够检查到所有可能的时序问题。
在这个例子中将会出现警告，原因是存在没有约束条件的端口。

运行时序分析

设置端口延时并检查时序：
pt_shell> set_input_delay 0.0 [all_inputs] -clock $clock
pt_shell> set_output_delay 2.0 [get_port INTERRUPT_DRIVER_ENABLE] -clock $clock
pt_shell> set_output_delay 1.25 [get_port MAPPING_ROM_ENABLE] -clock $clock
pt_shell> set_output_delay 0.5 [get_port OVERFLOW] -clock $clock
pt_shell> set_output_delay 1.0 [get_port PIPELINE_ENABLE] -clock $clock
pt_shell> set_output_delay 1.0 [get_port Y_OUTPUT] -clock $clock
pt_shell> set_driving_cell -lib_cell IV -library pt_lib [all_inputs]
pt_shell> set_capacitance 0.5 [all_outputs]
pt_shell> check_timing

保存设置：
将所设置的时序信息保存为脚本文件可以确保在接下去的运行中保留一个时序环境的复本。使用write_script命令，这个命令将以下这些信息保存到一个命令文件中：
Clocks             Names, waveforms, latency, and uncertainty
Exceptions         False and multicycle paths, minimum and maximum
delays, and path groups
Delays           Input and output delays, all delay annotations, and
timing checks
Net and port attributes   Capacitance, resistance, and fanout
Design environment   Wire load model, operation condition, drive, driving cell,
and transition
Design rules         Minimum and maximum capacitance, minimum and
maximum fanout, and minimum and maximum transition
write_script命令可以将脚本写成Design Compiler格式(dcsh or dctcl mode)或者PrimeTime格式(ptsh)。
不能用PrimeTime写一个被标注设计的.db文件，因为PrimeTime只能写时序模型的.db文件。以脚本为主要方式是为了和Design Compiler传递数据。
pt_shell> write_script. -format dctcl -output AM2910.tcl
pt_shell> write_script. -format dcsh -output AM2910.dcsh
pt_shell> write_script. -format ptsh -output AM2910.pt

运行基本的分析：
1．   得到AM2910的约束报告：
pt_shell>report_constraint
2. 检查报告中的时序违规(timing violations)和约束违规（constraints violations）
3．   到更多关于违规的信息：
pt_shell> report_constraint -all_violators
4．   检查这份报告：
这里有多少违规的结束点(endpoints)？

报告基于路径的时序信息：
pt_shell>report_timing

设置时序例外情况：
因为PrimeTime直到进行完整的时序升级(timing update)之前才检查时序例外情况的正确性，所以要运行report_exceptions以确定它们的正确性。
声明AM2910的时序例外情况。设置一条两个时钟周期的路径，其中建立时间为2，保持时间为1：
pt_shell> set_false_path -from U3/OUTPUT_reg /CP \
-to U2/OUTPUT_reg /D
pt_shell> set_multicycle_path -setup 2 -from \
INSTRUCTION -to U2/OUTPUT_reg
pt_shell> set_multicycle_path -hold 1 -from \
INSTRUCTION -to U2/OUTPUT_reg
pt_shell> update_timing
pt_shell> report_exceptions
pt_shell> report_exceptions -ignored

评估时序例外情况结果：
1．   得到另外一个约束报告并评估违规情况：
pt_shell>report_constraint –all_violators
2．   检查这份约束报告
3．   确信所设置的例外情况是否能够使得设计中的违规显现比以前更少。设计中最差余量(the worst slack)是什么？
pt_shell>report_timing
4. 检查这份详细的时序报告。
5. 看其它的违规路径。从这份约束报告中选择一个结束点，并键入：
pt_shell> report_timing -to endpoint
6. 检查这份报告。

提取一个子设计的边界时序特性信息：
一个子设计的相关时序特性信息的提取是基于它相关的上级设计环境。这些信息有
两个主要用途：
一个主要用途是PrimeTime将这些相关特性信息提供给Design Compiler作为约束信息。这是DC中从芯片级分析到模块级优化主要的纽带，与只是作分析的单点工具相比提供了更佳的整合性。
提取了相关特性信息之后，命令PrimeTime写一个包含子设计或模块时序信息的脚本。
在提取时序特性的同时，要注意：
1．   特性信息提取不能够预计子设计的时序状况；
2．   特性信息提取没有最大或最小这两种工作模式。所以在做这步工作之前要设置单一的、正确的运作条件。
对于PrimeTime而言，相关时序信息允许作层次化的时序分析，并观察芯片层次的
时序约束；对于Design Compiler而言，相关时序信息允许在综合或逻辑优化时设置时序约束。
在Design Compiler中设置综合或优化约束的步骤是：
1．   在PrimeTime中读入顶层设计
2．   确认需要优化的子设计
3．   提取每一个子设计的特性信息
4．   为每一个子设计生成一个Design Compiler的脚本
5．   将这些子设计读到Design Compiler中
6．   将步骤4中生成的脚本引入进来
7．   进行模块级的优化
仅将需要优化的子设计读入到DC中去，这样DC运行起来可以效率高一些。优化完这
些模块之后，再将它们读入到PrimeTime中去作新一轮的时序分析。
在这个例子中，从时序报告中可以看出模块U3(REGCNT)和U2(UPC)可以进一步优化，也许能消除一些违规情况。
因为要纠正建立时序违规，所以要配置最差情况的运行条件。
pt_shell> set_operating_conditions -library pt_lib WCCOM
pt_shell> characterize_context {U2 U3}
pt_shell> write_context U2 -output UPC.char.dcsh \
-format dcsh
pt_shell> write_context U3 -output REGCNT.char.dcsh \
-format dcsh
pt_shell> write_script. -format ptsh -output AM2910.new.pt

% dc_shell
dc_shell> include optimize.dcsh
...
dc_shell> quit

pt_shell> read_db {REGCNT.opt.db UPC.opt.db}
pt_shell> current_design AM2910
pt_shell> swap_cell U3 {REGCNT.opt.db:REGCNT}
pt_shell> swap_cell U2 {UPC.opt.db:UPC}
pt_shell> source AM2910.new.pt
pt_shell> check_timing
pt_shell> report_constraint -all_violators
pt_shell> report_constraint -all_violators –verbose
看新生成的报告，违规情况是不是比原来少了？

高级分析
情形分析(Case Analysis)：
PrimeTime允许将设计中的端口设置成逻辑1或逻辑0，并使其像实际中那样生效，恰当地使时序弧有效或无效。这叫做情形分析(case analysis)或常量传播(constant propagation)。
情形分析能沿着电路正向地使所指定的逻辑常量生效，但是逆向不行。PrimeTime可以这样做是因为它知道门的逻辑功能。PrimeTime不能使逻辑常量通过RAMs或其他黑箱单元传播。黑箱单元是没有定义功能的单元。
可以使用标记时序模型有条件地定义被情形分析影响到的时序弧。使用情形分析，可以在不同的条件下进行时序分析，例如，测试模式的开或关。
PrimeTime自动使一直高或一直低的信号生效。如图所示使用情形分析时的常量传播。

如果将Sel端口设置成逻辑0，PrimeTime只跟踪INa到U3的路径；
如果将Sel端口设置成逻辑1，PrimeTime只跟踪INb到U3的路径；
如果将U2的B引脚设置成逻辑0，PrimeTime将不跟踪到U3/Ten的路径。
作为情形分析的范例，完成以下一些步骤：
1．   在设计中的一个端口上设置一个情形分析逻辑常量，观察时序弧受到的影响
pt_shell> set_case_analysis 0 [get_ports CONDITION_CODE]
pt_shell> report_case_analysis
pt_shell> report_disable_timing
report_disable_timing命令显示所有因为情形分析而无效的时序弧。
2．   看时序的改变
pt_shell> report_constraint
pt_shell> report_timing
3．   检查报告
在这种情况下，将CONDITION_CODE端口设置成0改变了时序，所以关键路径也不一样了。
4．   将CONDITION_CODE设置成1，观察结果
5．   去除刚才所设置的逻辑常量
pt_shell> remove_case_analysis [get_ports CONDITION_CODE]

模式分析(Mode Analysis)：
一些复杂的设计可能会有好多种功能模式，在每种模式种时序路径和特性完全不同。
在 PrimeTime中可以定义和说明这些模式的时序，然后再为每种模式分别进行分析。这样做可以去除许多不合法的时序违规现象，因为那些路径被设置成是无 效的。例如，一个RAM的写地址和读地址路径是不同的。一个时序报告可能会显示一条RAM的写地址路径，但是这条路径只有在RAM工作在读模式时才有效。
有两种方法定义模式：
. 在标志模型中将模式和时序弧联系起来
. 为一条特殊的路径定义一种模式
在定义了模式之后，可以用一部分或所有定义的模式来进行时序分析。
1．   AM2910的Y模块有模式功能，因为在它的标记模型中已经定义了。在Y.mod文件中查看已定义的模式：
pt_shell>report_mode
2．   看设置了模式之后时序的改变：
pt_shell> set_case_analysis 0 [get_pins U4/OPERATION ]
pt_shell> set_mode data U4/core
pt_shell> report_mode
pt_shell> report_timing -to Y_OUTPUT*
pt_shell> set_mode stack U4/core
pt_shell> report_mode
pt_shell> report_timing -to Y_OUTPUT*
3．   将所定义的模式复位：
pt_shell>reset_mode

报告合法路径(True Paths)：
PrimeTime能够自动探测到设计中存在的一些不合法路径。这些路径可能是功能不合法
路径或是延时不合法路径。
下图所示一条功能不合法路径，因为它永远也不敏感(sensitize)。

PrimeTime还可以用自动生成测试模式automatic test-pattern generation(ATPG)方法在需要测试的时序路径上生成测试向量来进行分析。用户不用自己去说明这些向量，PrimeTime会自动生成并使其生效。
如果PrimeTime能够生成一个向量，它会认为这条路径是合法的，否则是不合法的。
PrimeTime不能在包含有黑箱单元的部分使用合法路径分析，因为它无法推算ATPG向量经过不知道功能的黑箱单元之后将是什么样的输出。
report-timing 命令有三个选项可以用来作合法路径报告：
-justify
对于所需分析的路径，报告每一条是合法还是不合法。如果合法，PrimeTime显示一条可以使其敏感的输入向量。将这个选项用在违规路径上查看潜在不合法违规。加上-nworst和-max_paths选项检查多条路径。
-true
启用一种搜索算法寻找最长的合法路径。使用这个选项在某些设计中会使CPU的运行时间延长。
-false
只报告不合法的路径。
仅在生成报告时使用合法路径分析。它不是PrimeTime的一种时序模型。
在例子中用合法路径报告来验证路径：
pt_shell> report_timing -true
pt_shell> report_timing -justify -to MAPPING_ROM_ENABLE
pt_shell> report_timing -false -max_paths 5

提取一个时序模型：
时序模型提取是从一个门级网表生成一个.db文件。PrimeTime和DC都能够使用这种提取得到的.db文件。
供应商(Vendors)用提取的方法提供时序模型。设计者可以用提取的方式生成一个完全与其他模块不相关的时序模型（可以被多次引用）。
提取是自动地从网表中提取时序模型并把信息保存为两个.db文件，类似于编译标记模型时的输出。
用这种方法提取一个时序模型：
1．   读入要提取的网表
2．   定义时钟
3．   反标延时和电容（如果可行的话）
4．   设置连线负载模型（如果可行的话）
5．   去除内部的例外情况（这些不保存到模型中）
6．   进行时序检查并改正任何错误
7．   设置提取时的环境变量
8．   在所有需要的运作条件下提取模型
9．   交换(Swap)提取的时序模型
现在UPC设计已经优化了，提取它的一个时序模型，用到芯片级的时序分析中去。
pt_shell> link_design UPC
pt_shell> create_clock -period 30 [get_ports CLOCK]
pt_shell> set_wire_load_model -name 20x20 -library pt_lib UPC
pt_shell> check_timing; # Unconstrained outputs are OK
pt_shell> set extract_model_tolerance 0.05
pt_shell> set extract_model_transition_limit 5.0
pt_shell> set extract_model_capacitance_limit 64
pt_shell> set extract_model_min_resolution 0.1
pt_shell> set extract_model_min_delay_threshold 0.5
pt_shell> set extract_model_conservative true
pt_shell> extract_model -operating_conditions {WCCOM NOM BCCOM} -output UPC.ext
pt_shell> set link_path "$link_path UPC.extr_lib.db"
pt_shell> read_db UPC.extr.db
pt_shell> link_design AM2910
pt_shell> swap_cell U2 {UPC.extr.db:UPC}
pt_shell> source AM2910.new.pt
pt_shell> report_cell; # Note UPC is now marked as a model
pt_shell> report_constraint -all
检查结果。

反标标准延时格式文件(SDF)：
PrimeTime支持以下版本的SDF文件：
读：1.0, 2.0, 2.1；
写：1.0, 2.1。
当PrimeTime用SDF进行延时标注时，它假定与负载相关的延时部分被包含到单元延时中。如果SDF在连线延时中包含了负载相关延时，在read_sdf命令中用-load_delay net选项。
写一个AM2910的最大和最小延时SDF文件：
pt_shell> set_operating_conditions -library pt_lib -min BCCOM -max WCCOM
pt_shell> write_sdf -version 2.1 AM2910.sdf
将这个SDF文件读回PrimeTime中：
pt_shell> read_sdf -min_max AM2910.sdf
pt_shell> report_timing
检查报告。注意每一个反标延时都被标上了*号。

读寄生参数文件：
PrimeTime支持以下几种寄生参数文件：
Reduced Standard Parasitic Format (RSPF)
Detailed Standard Parasitic Format (DSPF)
Standard Parasitic Exchange Format (SPEF)
命令格式为：
pt_shell> read_parasitics filename
PrimeTime会自动识别文件的格式。

退出PrimeTime：
pt_shell> quit