TP2 -- Placement/Routage de Cellules Précaractérisées

Dans ce TP, nous souhaitons réaliser un générateur de circuit addaccu amélioré avec comme paramètre, entre autres, le nombre de bits. Ce générateur sera, dans un premier temps, conçu avec les cellules de sxlib, puis avec les cellules de dp_sxlib.

Nous verrons dans ce TP comment Stratus permet de décrire des netlists paramétrables et de les utiliser. Les Netlists seront placés-routés de différentes manières pour montrer l'intérêt du placement procédural.

	Note	Documentation de Stratus
		Elle est accessible à l'adresse suivante: ​file:///soc/coriolis2/share/doc/coriolis2/en/html/stratus/index.html Ce lien n'est disponible que depuis l' intérieur du département.

1 Introduction

1.1 Circuit addaccu

Dans le circuit addaccu sont instanciés trois blocs mux, accu et adder.

Les deux blocs mux et accu sont des générateurs paramétrables décrits dans le langage Stratus, ce sont des interconnexions de portes de bases, fournies par la bibliothèque de cellules pré-caractérisées SxLib.

Le bloc adder, également décrit dans le langage Stratus, répète un motif full_adder. Le motif full_adder sera créé à l'aide d'une fonction Python. Ce n'est pas une instantiation.

Le circuit addaccu comporte donc deux niveaux de hiérarchie:

1. - Le niveau des blocs (mux, accu, adder).
2. - Le niveau du circuit complet (addaccu).

	Note	Nom du signal d'horloge
		Pour un circuit aussi petit, nous n'utiliserons pas de stratégie spécifique pour router le signal d'horloge. Pour que ce signal soit routé comme un signal ordinaire, il est nécessaire de lui donner un nom ne contenant pas ck, on prendra horloge.

1.2 La bibliothèque sxlib

Une cellule pré-caractérisée (en anglais standard cell) est une fonction élémentaire pour laquelle on dispose des différentes "vues" permettant son utilisation par des outils CAO :

• Vue physique: dessin des masques, permettant d'automatiser le placement et le routage.
• Vue logique: schéma en transistors permettant la caractérisation (surface, consommation, temps de propagation),
• Vue comportementale: description VHDL permettant la simulation logique des circuits utilisant cette bibliothèque.

La bibliothèque de cellules utilisée dans ce TME est la bibliothèque SxLib, développée par le laboratoire LIP6, pour la chaîne de CAO Alliance. La particularité de cette bibliothèque est d'être portable: le dessin des masques de fabrication utilise une technique de dessin symbolique, qui permet d'utiliser cette bibliothèque de cellules pour n'importe quel procédé de fabrication CMOS possédant au moins trois niveaux d'interconnexion.

Évidemment, les caractéristiques physiques (surface occupée, temps de propagation) dépendent du procédé de fabrication. Les cellules que vous utiliserez dans ce TME ont été caractérisées pour un procédé de fabrication CMOS 0.35 micron.

La liste des cellules disponibles dans la bibliothèque SxLib peut être obtenue en consultant la page de manuel:

> man sxlib

Comme vous pourrez le constater, il existe plusieurs cellules réalisant la même fonction logique. Les deux cellules na2_x1 et na2_x4 réalisent toutes les deux la fonction NAND à 2 entrées, et ne diffèrent entre elles que par leur puissance électrique: la cellule na2_x4 est capable de charger une capacité de charge 4 fois plus grande que la cellule na2_x1. Évidemment, plus la cellule est puissante, plus la surface de silicium occupée est importante. Vous pouvez visualiser le dessin des masques de ces cellules en utilisant l'éditeur graphique de la chaîne Alliance graal.

1.3 Schémas des Blocs

1.3.1 Multiplexeur

Un multiplexeur 4 bits peut être réalisé en utilisant 4 cellules mx2_x2 suivant le schéma ci-dessous :

Vous pouvez consulter le modèle comportemental de la cellule mx2_x2: mx2_x2.vbe​.

1.3.2 Registre

Un registre 4 bits peut être réalisé en utilisant 4 cellules sff1_x4 suivant le schéma ci-dessous:

La cellule sff1_x4 est une bascule D à échantillonnage sur front montant. Vous pouvez consulter le modèle comportemental de cette cellule: sff1_x4.vbe​.

1.3.3 Additionneur

Un additionneur 4 bits peut être réalisé en interconnectant 4 additionneurs 1 bit, suivant le schéma ci-dessous:

Un additionneur 1 bit (encore appelé Full Adder) possède 3 entrées a,b,c, et deux sorties s et r. La table de vérité est définie par le tableau ci-dessous. Le bit de somme s vaut 1 lorsque le nombre de bits d'entrée égal à 1 est impair. Le bit de retenue est égal à 1 lorsqu'au moins deux bits d'entrée valent 1.

- a -	- b -	- c -	- s -	- r -
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Ceci donne les expressions suivantes :

• s <= a XOR b XOR c
• r <= (a AND b) OR (a AND c) OR (b AND c)

Il existe plusieurs schémas possibles pour réaliser un Full Adder. Nous vous proposons d'utiliser le schéma ci-dessous, qui utilise trois cellules na2_x1 (NAND 2 entrées), et deux cellules xr2_x1 (XOR 2 entrées) :

2 Travail à effectuer

2.1 Initialisation de l'Environnement

Afin de pouvoir travailler avec Alliance et Coriolis 2 il vous faut sourcer les deux scripts suivant:

> . /soc/alliance/etc/alc_env.sh
> . /soc/coriolis2/etc/coriolis2/coriolis2.sh

	Note	Différence entre sourcer et exécuter un script.
		Lorsque vous exécutez un script ou un programme, celui-çi va être lancé dans un processus séparé, fils du processus courant. L'environnement du processus fils est une copie de celui du père et les modifications n'affecteront pas le processus parent (i.e. le shell). Lorsque vous sourcez un script, il n'y a pas de création de processus fils, les commandes contenues dans le script sont directement exécutés dans l'environnement courant, exactement comme si elles étaient tapées manuellement au prompt. Elles vont donc modifier l'environnement du shell. La notation . est un raccourci pour source en bash.

2.1 Bloc Mux

1. Récupérer les deux fichiers permettant de créer le bloc mux et les étudier:
   • Netlist en Stratus du bloc mux​
   • Script pour la création de la netlist​

	Note	Patterns & Simulation
		Les fichiers fournis contiennent aussi la génération des patterns et l'appel au simulateur. Ce point est détaillé en 2.6 et peut être ignoré ici.

Ce bloc a la fonctionnalité suivante :

si (cmd==0) alors s <= i0 sinon s <= i1

i0, i1 et s ayant un nombre de bit paramétrable

2. Créer une instance de mux sur 4 bits. Pour ce faire, il faut exécuter le script fourni avec le bon paramètre :
   • soit en exécutant la commande suivante :

     > python gen_mux.py -n 2
     

   • soit en modifiant les droits du fichier :

     > chmod u+x generate_mux.py
     > ./generate_mux.py -n 2
     

Si le script s'exécute sans erreur, un fichier .vst est normalement généré. Vous pouvez vérifier qu'il décrit bien le circuit voulu.

2.2 Bloc Registre (Accumulateur)

• En s'inspirant du multiplexeur, écrire le bloc accu avec Stratus en utilisant exclusivement les cellules de la bibliothèque SxLib. Ce bloc prend lui aussi comme paramètre le nombre de bits. En outre, il vérifie que son paramètre est compris entre 2 et 64 (ce n’est pas fait dans mux).
• Écrire le script Python permettant de créer l'instance du registre.

2.3 Bloc Additionneur

• Écrire la fonction fullAdder() en utilisant exclusivement les cellules de la bibliothèque SxLib.
• Écrire le bloc adder appelant la fonction fullAdder() . Ce bloc prend lui aussi comme paramètre le nombre de bits et vérifie que son paramètre est compris entre 2 et 64 (ce n’est pas fait dans mux).
• Écrire le script Python permettant de créer l'instance de l'additionneur.

2.4 Circuit Addaccu

• Ecrire le circuit addaccu avec Stratus. Ce circuit instancie les trois blocs précédents (mux, accu et adder). Le circuit addaccu prend également comme paramètre le nombre de bits.
• Écrire le script python permettant de créer des instances de l'addaccu.
• Écrire un fichier Makefile paramétrable permettant de produire chaque composant et le circuit addaccu en choisissant le nombre de bits.
• Générer le circuit sur 4 bits.
• Visualiser la netlist obtenue avec xsch.

2.5 Fonction Generate

Il n'est pas toujours très pratique d'avoir à générer avec plusieurs scripts les différents blocs d'un circuit. Le langage Stratus fournit donc une alternative: la fonction Generate.

Par exemple, pour générer une instance du multiplexeur fourni, il suffit d'ajouter la ligne suivante dans le fichier addaccu :

Generate ( "mux.mux", "mux_%d" % self.n, param={'nbit':self.n} )

Dans cette fonction, le premier argument représente la classe Stratus créée (format: nom_de_fichier.nom_de_classe), le deuxième argument est le nom du modèle généré, le dernier argument est un dictionnaire initialisant les différents paramètres de cette classe.

• Modifier le fichier décrivant l' addaccu et le Makefile de façon à pouvoir créer les instances de ce circuit en n'ayant besoin que d'un script.

2.6 Description de Patterns

La chaîne de CAO Alliance fournit un outil permettant de décrire des séquences de stimuli : genpat. Stratus comporte le même service pour la chaîne de CAO Coriolis. De plus, Stratus encapsule l'appel au simulateur asimut.

• Récupérer les deux fichiers décrivant le bloc mux avec création du fichier de patterns et simulation, et les étudier :
  • mux.py contient la génération des patterns.
  • generate_mux.py contient l'appel au simulateur.
• Créer les patterns et effectuer la simulation des deux autres blocs de la même façon.nce
• Une fois tous les sous blocs validés, créer les patterns et effectuer la simulation du bloc addaccu.

2.8 Bibliothèque DpGen

Stratus propose aussi une bibliothèque d'opérateurs de chemins de données (datapath). Sa documentation est accessible ​ici

• Ré-écrire un addaccu paramétrable en utilisant les opérateurs de chemins de données.
• Valider ce bloc avec les mêmes patterns que le bloc précédent.

2.9 Placement & Routage

A l'aide de cgt, effectuer un placement/routage des circuits. Pour rendre les différences plus significatives, générer des addaccu à 64 bits.

Procéder aux essais suivants:

• Circuit glue logique placé/routé avec les paramètres par défauts.
• Circuit glue logique avec 10% de marge de surface.
• Circuit glue logique avec 10% de marge de surface et le recuit simulé traditionnel activé.
• Circuit chemin de données.

3 Compte-Rendu

Vous rédigerez un compte-rendu d'une page maximum pour ce TME.

• Vous présenterez un schéma de la hiérarchie du circuit addaccu.
• Vous décrirez quels générateurs de la bibliothèque DpGen vous avez utilisé et pourquoi.
• Vous commenterez les différence en longueur de fils et surfaces des approches chemins de données et standard cells.
• Vous fournirez tous les fichiers écrits, avec les Makefile permettant d'effectuer la génération des deux circuits (et l'effacement des fichiers générés).