低功耗设计方法学（4）

pst

在upf中，使用pst来定义每个pd之间的电压关系，工具也使用pst来检查isolation rules，leve shifter rules是否完全或者冗余。pst不在simulation中使用。

使用supply nets 定义pst（upf1.0）

根据要求我们可以得到上图的表格，但是我们需要使用upf的语言将它表现出来。

1. add_port_state <port name>
{ -state { name <nom> | <min nom max>| <off> }} //可以多次使用-state

2. create_pst <table_name> -supplies {list}

3. add_pst_state <state_name> -pst <table_name> -state <supply_states>

2和3的命令一起使用。可以得到下面的pst 。*通配符表示无论什么情况都可以。

使用supply set 定义pst（upf2.0）

和上面的一样，首先需要有定义的3个supply set。

add_power_state <object_name> -state state_name
[-supply_expr {boolean_function}] //关键字FULL_ON和OFF
[-logic_expr {boolean_function}]
[-simstate simstate]

下面是一个实际的pst例子使用upf2.0编写。

注意下面第三排文字对V3p0_g的定义，他虽然是ground，但是需要定义FULLON，但为0

简单examples

1. 下面的这个图有什么问题？

答案：iso_en来自的pd不能断电。但是pd3会断电。

2. 下面的upf描述有什么问题？

答案：-location应该接self，而不是parent，因为-damian的PD_B

3. 下面的upf描述有什么问题？

答案：一般的iso从off到on的pd，但是pd_b中会有off的时候，当off的时候，这个iso中的数据就从on到off，这是不合规的。而且，上图中的els的电源一边实在会掉电的pd_b，这也是不合规的。

4. 下面的upf有什么错误

答案：-logic_expr {sw_ctrl} 和-off_state {swoff ！ctrl} 不一样。所以这是错的。

5. 下面两个图中对iso的控制错误的是？

答案：第二个图对iso的控制出错，应该把iso的控制放在TOP而不是在p3内部。

综合练习

上图中整个设计主要是由一个 8051 控制器，通过 SFR 总线对其他模块进行控制，U_Des 是一个算法模块，U_Pcu 是功耗控制单元。

由于 U_Des 需要在较快的频率下工作，因此需要对 U_Des 进行一些特殊的设计，也就是对整个设计进行低功耗设计，如下所示：

上图主要描述以下信息：
1. 2 个电压域，TOP 以及 DES_DOMAIN。
2. 电源设计外部提供，分 1.2V 的 VDD12 和 1.0V 的 VDD10
3. 设计中除 DES 电路几乎所有电路工作在 1.0V 的 VDD 电压域。
4. U_Des 由于工作速度要求较高，工作在 1.2V 的 VDD12 电压域

DES_DOMAIN，但由于不使用的时候需要关断，以降低静态功耗，因此，通过一组 PowerSwitch 进行控制，控制信号来源为 U_Pcu 的 PcuSfrDatOut[0]输出。该电压域与 TOP 电压域共用 VSS 地信号。

5. 由于 U_Des 电路处于 VDD12 电压域，而 U_Pcu 处于 VDD 电压域，因此需要添加 Level Shifter 进行电平转换。

6. U_Des 电路输出信号，需要通过一个 Isolation Cell，在关断电源时提供稳定电平，而该电平为 1.2V，因此还需要利用 Level Shifter 转换成 1.0V 电压域信号，Isolation Cell 的 Enable 信号来自于 U_Pcu 模块的 PcuSfrDatOut[1]信号。

7. U_Des 电路中的寄存器需要使用 Retention Register，save 和 restore 控制信号分别来自于 U_Pcu 输出 PcuSfrDatOut[2]和 PcuSfrDatOut[3]经过 Level Shifter 产生的信号。

接下来，我们利用 UPF 描述该 DEMO 的功耗设计思路。

4.1 申明电压域以及虚拟电压接口
首先申明电压域，并申明 VDD、VDD12 以及 VSS 等电压端口：
create_power_domain TOP
create_power_domain DES_DOMAIN –elements U_Des
create_supply_port VDD
create_supply_port VDD12
create_supply_port VSS
根据上述指令，工具会识别出如下图所示中画圈的信息，电压域及虚拟电压端口开始出现：

需要注意的是电压端口只不过是虚拟存在的，并不是一定在顶层连接。

4.2 申明电源网络
接着申明每个电压域中的电源网络，建议从顶层往底层进行申明，如首先申明 TOP 的 VSS、VDD：
create_supply_net VDD
create_supply_net VSS
以上语句添加下图中画圈部分：

接着申明 DES_DOMAIN 的电源网络，但需要注意的是，如果需要插入 Level Shifter，最好是在与其有连接关系的电源域（TOP）同时申请电源线，并连接起来：
create_supply_net VDD12 //在top中定义VDD12这个线
create_supply_net VDD12 –domain DES_DOMAIN –reuse //DES_DOMAIN 的 VDD12 这根线与 TOP 的 VDD 那根线共用一个网络，因此需要 -reuse
create_supply_net VDD12G //在top中定义VDD12G这个线
create_supply_net VDD12G –domain DES_DOMAIN -reuse
create_supply_net VSS –domain DES_DOMAIN –reuse //之前定义了，所以直接reuse
create_supply_net VDD –domain DES_DOMAIN –reuse //之前定义了，所以直接reuse
以上语句添加下图中画圈部分：

然后将电源网络和电源端口连接起来：
connect_supply_net VDD12 –port {VDD12}
connect_supply_net VDD –port {VDD}
connect_supply_net VSS–port {VSS}
以上语句添加下图中画圈部分。

最后为每个电源域申明主电源网络来源，主电源就是该电压域普通逻辑工作使用的电源：
set_domain_supply_net TOP –primary_power_net VDD –primary_ground_net VSS
set_domain_supply_net DES_DOMAIN –primary_power_net VDD12G –primary_ground_net VSS
做完这一步，电源网络申明基本完成。

4.3 添加 Power Switch
create_power_switch des_sw
-domain DES_DOMAIN
-input_supply_port {in VDD12}
-output_supply_port {out VDD12G}
-control_port {des_po U_Pcu/PcuSfrDatOut[0]} // des_po为信号名，U_Pcu/PcuSfrDatOut[0]为hirachy
-on_state {state_on in {!des_po}} // {state_on是这里的state in是这里的name {布尔表达式}}，这里只有一个控制，但是实际项目会有两个控制，Mother和dauter两个。这里表示!des_po为ps的开启信号。
-off_state {OFF {des_po}}
map_power_switch des_sw
-domain DES_DOMAIN
-lib_cell HDRSIHVTD0
create_power_switch 和 map_power_switch 在综合时只会检查语法，不会有实际效果，但在综合时将该 UPF 指令读入系统，可以由 DC 输出相应的 UPF 给 Synopsys 的 PR 工具，PR 工具可以自动识别这些指令，到时才会真正添加 Power Switch。2 句命令的结果示意在下图画圈中：

4.4 建立电源状态表格（Power State Table, PST）
在 Power Switch 插入以后，需要对电压域的有效电压，以及不同电压域之间的关系进行设置，同时建立电压分布及关断的情景（scenarios），可以用于静态电压分析、仿真等。

建立电源状态表格，可以参看以下upf描述：

第一步，定义state
add_port_state VDD –state {LV 1.0} #VDD 是 1.0V，属于低电压域（LV）状态
add_port_state VDD12 –state {HV 1.2} #VDD12 是 1.2V，属于高电压域（HV）状态
add_port_state des_sw/out –state {HV 1.2} #Power Switch 输出是 1.2V，属于高电压域（HV）状态，注意des_sw是刚刚定义的ps的名字，out是刚刚定义的ps的电压输出点。
-state {OFF off} #关闭状态（OFF），无电压（off）再使用一次-state表示另外一种ps的状态为关闭
add_port_state VSS –state {ON 0.0} #VSS 处于常开状态（ON），电压 0V

第二步创建pst
create_pst design_pst –supplies {VDD VDD12 VDD12G} #建立一个 PST，由 3 个电源状态不同组成

第三步增加状态
add_pst_state design_work –pst design_pst –state {LV HV HV} #design_work 状态下，三组电源都开
add_pst_state stand_by –pst top_pst –state {LV HV OFF} #stand_by 状态下，des_sw/out 输出电源为关闭状态
需要注意 add_pst_state 的 -state 括号里的描述顺序，必须与 create_pst 的 -supplies 里一致，选择的状态必须与 add_port_state 的 -state 里描述的一致才可以。

这样就建立了下表所示的 PST，design_pst：

由此建立了 PST，分析工具或仿真工具就知道需要对哪些状态进行分析了。

4.5 插入 Isolation Cell
下面需要为 DES_DOMAIN 输出给 TOP 的输出信号添加 Isolation Cell。脚本如下所示：
# Isolation Cell
set_isolation des_iso_out
-domain DES_DOMAIN
-isolation_power_net VDD12 -isolation_ground_net VSS #隔离后只有 VDD12 供电
-clamp_value 1 #关电后输出逻辑 1
-applies_to outputs #对于所有输出添加
set_isolation_control des_iso_out
-domain DES_DOMAIN
-isolation_signal U_Pcu/PcuSfrDatOut[1] //只列出hirachy就可以了
-isolation_sense high #控制信号为高时 ISO 有效
-location self # Isolation Cell 添加在 DES_DOMAIN 里面

这样就可以产生如下图所示画圈部分电路：

4.6 替换 Retention Register Cell
接着需要使用 Retention Register Cell 将 DES_DOMAIN 中在关断电源后需要保留数据的寄存器替换为 Retention Register Cell，可以使用如下脚本：
# Retention Register
set_retention des_ret -domain DES_DOMAIN
-retention_power_net VDD12G -retention_ground_net VSS #retention_power_net 是关电的 Power，表示需要保持 VDD12G 电源域的数据
set_retention_control des_ret -domain DES_DOMAIN
-save_signal {U_Pcu/PcuSfrDatOut[2] high}
-restore_signal {U_Pcu/PcuSfrDatOut[3] low}
map_retention_cell des_ret
-domain DES_DOMAIN
-lib_cell_type RSDFCSD1
#RSDFCSD1 是带有异步置位的 Retention Register Type，可以从 lib 文件中 retention_cell 属性中看到。
根据以上描述，会按照下图画圈示意图描述电路：

4.7 插入 Level Shifters
插入 Level Shifters 是根据 PST 的定义进行，根据 PST 定义看来，DES_DOMAIN 和 TOP 之间需要插入 Level Shifters，其中 DES_DOMAIN 输出的 pin（Isolation Cell 的输出）需要插入 H->L 的 Level Shifter，而其输入则需要插入 L->H 的 Level Shifter。
插入 Level Shifter 在 Compile 过程中自动进行，也可以利用 UPF 命令 set_level_shifter 定义插入的规则。

# Level Shifter
set_level_shifter des_ls_lh
-domain DES_DOMAIN
-applies_to inputs
-rule low_to_high
-location parent
set_level_shifter des_ls_hl
-domain DES_DOMAIN
-applies_to outputs
-rule high_to_low
-location parent
插入 Level Shifter 后产生的电路变化示意图如下图画圈处所示：

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