Synopsys 逻辑综合的整体架构概览

目录

一、DC Shell 逻辑综合的整体架构概览

⛓️ 逻辑综合的主要阶段（Pipeline）

二、核心架构模块详解

1. Internal Database（设计对象数据库）

2. Scheduler（调度器）

3. Rewriting Engine（表达式重写器）

4. Datapath Engine

5. Mapping Engine

三、脚本化流程（TCL 下的控制路径）

四、HLO 和 datapath 的联系

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一、DC Shell 逻辑综合的整体架构概览

Design Compiler（DC）作为 Synopsys 的旗舰综合工具，其底层架构是高度模块化的，以“中间表示（IR）”驱动的静态调度优化器（Static Scheduling Optimizer）为核心，依次执行 RTL 解析、静态数据流图构建、表达式转换、逻辑优化、结构优化、时序收敛与映射几个阶段。

⛓️ 逻辑综合的主要阶段（Pipeline）

1. RTL Parser（前端）

   • 解析 Verilog/VHDL，构建 Abstract Syntax Tree（AST）
   • 提取模块、端口、变量、过程控制结构

2. Elaboration

   • 实例化模块、分层展开（flatten or preserve hierarchy）
   • 初始化数据类型、生成 Design Object（internal DB）

3. High-Level Optimization（HLO）

   • 将行为级表达式转换为静态数据流图（SDFG）
   • 尝试对复杂表达式进行调度、绑定、重写（rewriting）

4. Datapath Optimization

   • 构建 datapath 节点（adder、shifter、multiplier、MUX）
   • 进行资源共享、调度、绑定（binding）
   • 特殊处理乘法、条件选择等结构

5. Logic Optimization

   • 布尔优化（常量传播、冗余移除、factorization）
   • Common subexpression elimination

6. Mapping

   • 将中间结构（GTECH cells）映射为目标库中的元件（standard cells or custom cells）
   • 基于时序、面积、功耗做代价驱动的选择

7. Post-Mapping Optimization

   • Retiming、buffer insertion、gate resizing、logic duplication
   • 时序闭合

8. Netlist Generation

   • 输出 gate-level netlist（Verilog），或 GTECH（generic technology）表示

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二、核心架构模块详解

1. Internal Database（设计对象数据库）

DC 所有 design 元素（cell、net、pin、expr、mux、dp node）都以对象存在于 Internal DB 中。常用的数据结构有：

• design：顶层模块
• net / port / pin
• dp_node：datapath node，封装如 adder、multiplier
• expression_tree：行为表达式树，供 HLO 重写器处理
• 属性系统：所有对象可携带 attribute（可以通过 get_attribute 操作）

2. Scheduler（调度器）

核心的调度引擎是 DC 的灵魂。它决定表达式中每个操作应在哪个“cycle”执行，或是否跨越 cycle 边界：

• 基于控制依赖与数据依赖图（DFG）
• 考虑 path slack、resource sharing、binding 成本
• 配合 timing engine 实时计算 slack 和 delay

3. Rewriting Engine（表达式重写器）

HLO 中的重要部分，处理结构变换，比如：

• a + (b + c) 重写为 (a + b) + c
• (sel) ? a : b 转换为 mux 构造形式
• 探测 shared pattern（子表达式共享）

4. Datapath Engine

datapath 引擎负责将 SDFG 图中的操作构建为硬件友好的 datapath 单元（而非离散 gates）：

• 构造 datapath 节点（如 dp_adder、dp_mux）
• 调用绑定器将 dp_node 绑定到实现（如 multiplier）
• 尝试资源复用与 cross-cycle 构造

这一步是能否提升面积/功耗的关键步骤，也最容易失败。

5. Mapping Engine

将 GTECH 表达式映射为标准 cell。这里会调用：

• Cell selector：遍历 cell library 寻找合适 cell
• Timing annotator：估计时延
• Area/capacitive cost estimator：为选择提供权重

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三、脚本化流程（TCL 下的控制路径）

dc_shell 的整体流程可以通过一套典型的脚本来掌控：

read_verilog design.v
elaborate top
linkset_synlib_optimization true
compile_ultra -gate_clock -no_autoungroup
write -f verilog -hierarchy -o top_mapped.v

高级用户可以用：

• set_attribute 设置 datapath behavior
• report_dp_* 查看 datapath 构建状况
• ungroup / compile_ultra -no_autoungroup 控制优化范围

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四、HLO 和 datapath 的联系

HLO → datapath 优化之间是密切耦合的。

• HLO 提供了 datapath 构建的 结构语义信息（表达式树）
• Datapath 引擎在 HLO 成功 schedule 后尝试构造硬件资源映射
• 若 HLO 失败（如表达式无法调度），datapath 优化必然失败
• 某些 mux 无法构建常常是 expression 没有被合法 rewrite 成 static conditional