在数字集成电路领域中，随着VLSI集成度和时钟频率的不断提高，使得低层次综合效率越来越低，测试越来越困难，电路功耗问题也越来越突出。研究表明，高层次综合与设计技术能*限度地解决上述难题，优化设计目标。本书运用高层次综合与设计技术，对数字集成电路的功耗与测试综合优化等课题进行深入研究，介绍和提出了一些新的表示模型、设计方法和算法，推动了数字集成电路可测性、低功耗及其相互协调等问题的解决。

本书对当前高层次综合及可测性和低功耗设计技术进行了论述，在此基础上对高层次测试综合、高层次低功耗综合以及基于多项式符号代数的VLSI高层次综合技术进行了深入研究，探讨了高层次综合技术新的表示模型和设计方法。本书共9章。各章内容如下：
第1章介绍了研究背景和意义，以及高层次综合、高层次测试综合和高层次低功耗综合的国内外研究现状；
第2章详细介绍了高层次综合技术、可测性设计技术和低功耗设计技术；
第3章是高层次综合过程可测性问题的分析和研究，介绍了高层次综合资源分配和调度过程对可测性的影响，以及相应的可测性调度和资源分配算法；
第4章介绍了高层次综合中与可测性相关的知识和可测性高层次综合的4个准则，并提出了一种基于加权相容图的可测性寄存器分配算法；
第5章介绍了高层次功耗优化理论和方法，首先概述了开展超大规模集成电路能量和功率降低研究的现有文献，然后介绍了使用多供应电压和动态时钟相结合的方式，降低能量和能量延迟乘积的数据通路调度算法；第6章是应用多目标遗传算法的高层次多电压功耗优化方法，提出了一种在时间与资源约束下，运用遗传算法同时进行操作调度和资源分配的高层次多电压功耗优化方法；
第7章通过对传统的力引导调度算法和现有的基于功耗优化的力引导调度算法的研究，提出了改进的基于单周期和基于多周期的峰值功耗优化的力引导调度算法，来实现对电路峰值功耗的优化；
第8章以高层次的表示模型和设计算法为目标，探讨一种以多项式符号代数为理论依托的VLSI高层次自动设计新方法和新技术，尝试将多项式符号理论、模型和方法的应用领域扩展到芯片高层次综合方面；
第9章对本书的研究内容进行了归纳总结，分析了当前研究工作的缺点和不足，并探讨了今后进一步的研究方向。

随着半导体技术的飞速发展，VLSI集成度和时钟频率不断提高，带来了如下负面影响：首先，集成电路复杂度的不断提高使得低层次综合效率越来越低，这一问题导致高层次综合(High-Level Synthesis，HLS)技术应运而生；其次，集成电路复杂度的不断提高使得测试变得越来越复杂，这已成为芯片设计的一个瓶颈；最后，电路的功耗问题越来越突出，电路功耗过大，导致系统不稳定和封装困难。因此，电路的可测性和功耗问题成为VLSI设计时首要考虑的因素。当前，许多研究表明高层次设计能够最大限度地实现可测性和功耗的优化，这是因为它对具体实现方式的依赖性很小，选择算法和架构的自由度高，对最终硬件实现的可测性和功耗优化效果影响显著。因此，高层次测试综合和高层次低功耗综合技术日益获得科研人员和开发人员的关注和重视。
本书对当前高层次综合及可测性和低功耗设计技术进行了论述，在此基础上对高层次测试综合、高层次低功耗综合以及基于多项式符号代数的VLSI高层次综合技术进行了深入研究，探讨了高层次综合技术新的表示模型和设计方法。本书共9章。各章内容如下：
第1章介绍了研究背景和意义，以及高层次综合、高层次测试综合和高层次低功耗综合的国内外研究现状；
第2章详细介绍了高层次综合技术、可测性设计技术和低功耗设计技术；
第3章是高层次综合过程可测性问题的分析和研究，介绍了高层次综合资源分配和调度过程对可测性的影响，以及相应的可测性调度和资源分配算法；
第4章介绍了高层次综合中与可测性相关的知识和可测性高层次综合的4个准则，并提出了一种基于加权相容图的可测性寄存器分配算法；
第5章介绍了高层次功耗优化理论和方法，首先概述了开展超大规模集成电路能量和功率降低研究的现有文献，然后介绍了使用多供应电压和动态时钟相结合的方式，降低能量和能量延迟乘积的数据通路调度算法；第6章是应用多目标遗传算法的高层次多电压功耗优化方法，提出了一种在时间与资源约束下，运用遗传算法同时进行操作调度和资源分配的高层次多电压功耗优化方法；
第7章通过对传统的力引导调度算法和现有的基于功耗优化的力引导调度算法的研究，提出了改进的基于单周期和基于多周期的峰值功耗优化的力引导调度算法，来实现对电路峰值功耗的优化；
第8章以高层次的表示模型和设计算法为目标，探讨一种以多项式符号代数为理论依托的VLSI高层次自动设计新方法和新技术，尝试将多项式符号理论、模型和方法的应用领域扩展到芯片高层次综合方面；
第9章对本书的研究内容进行了归纳总结，分析了当前研究工作的缺点和不足，并探讨了今后进一步的研究方向。
本书内容汇集了作者近十年的研究成果，是对数字集成电路功耗与测试综合优化研究工作的总结。本书的出版得到了黑龙江省青年科学基金项目基于多项式符号代数的VLSI高层次综合研究(QC2013C067)、黑龙江省高校青年学术骨干项目基于多项式符号代数的VLSI高层次可测性和低功耗综合研究(1253G060)和牡丹江师范学院优秀青年骨干教师培养计划项目超大规模集成电路高层次设计方法研究(MQP201406)的资助。
由于作者水平和经验有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。反馈邮箱：wkservice@vip.163.com。
孙 强
于牡丹江师范学院东湖畔
2016年7月

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 2

1.2 研究现状分析 5

1.2.1 高层次综合研究现状 5

1.2.2 高层次测试综合研究现状 5

1.2.3 高层次低功耗综合研究现状 8

1.3 本书的主要研究内容 11

1.3.1 新型高层次测试综合方法研究12

1.3.2 新型高层次低功耗综合方法研究 13

1.3.3 基于多项式符号代数的高层次新方法研究 13

1.4 本书的结构安排 14

第2章 高层次综合理论和方法 17

2.1 高层次综合技术 18

2.1.1 高层次综合的基本原理 18

2.1.2 开展高层次综合的原因 21

2.1.3 高层次综合的不同阶段 21

2.1.4 调度算法 25

2.1.5 分配算法 29

2.1.6 高层次综合实例 32

2.2 可测性设计理论和技术 34

数字集成电路功耗与测试综合优化

2.2.1 可测性设计技术 34

2.2.2 可测性分析技术 35

2.2.3 测试综合技术 37

2.3 低功耗设计理论和技术 39

2.3.1 CMOS电路功耗的来源 39

2.3.2 低功耗设计方法 41

2.3.3 高层次综合中的功率降低方法43

2.3.4 峰值功率最小化的原因 45

2.3.5 降低平均功率和能耗的原因 45

2.3.6 应用频率和电压缩放的原因 46

2.3.7 多供应电压、动态时钟和多周期 47

第3章 高层次综合过程可测性问题的分析和研究 53

3.1 资源分配过程降低时序深度 54

3.1.1 可控制性和可观察性的提高 54

3.1.2 时序深度降低 56

3.1.3 寄存器分配的具体实现过程 59

3.1.4 模块分过程 67

3.1.5 互连分配 68

3.1.6 实例验证 68

3.2 资源分配过程降低时序环路 70

3.2.1 无循环调度数据流图中的时序环路对可测性的影响 71

3.2.2 有循环调度数据流图中的时序环路对可测性的影响 74

3.2.3 寄存器分配 78

3.3 调度过程的可测性综合 80

3.3.1 调度过程可控制性和可观察性的提高 80

3.3.2 通过调度来降低时序深度和时序环路 81

3.3.3 基于灵活度通路的调度算法 83

V

目 录

3.4 应用层次化控制数据流图解决条件资源共享可测性问题 86

第4章 应用图理论的高层次测试综合方法 89

4.1 高层次综合中与可测性相关的知识 91

4.1.1 数据通路电路图 91

4.1.2 变量的生存周期和分类 91

4.1.3 可控制性和可观测性 92

4.1.4 时序通路 92

4.1.5 时序环路 92

4.1.6 基于可测性高层次综合的4个准则 93

4.2 基于加权相容图的可测性寄存器分配算法 94

4.2.1 基于可测性的寄存器分配模型94

4.2.2 寄存器分配相容图的团划分算法 97

4.2.3 算法的时间复杂度分析 103

4.2.4 实验结果 104

第5章 高层次功耗优化理论和方法 109

5.1 高层次功耗优化相关研究工作 111

5.1.1 数据通路调度过程中使用电压降低实现能量或降低平均功耗 111

5.1.2 高层次综合过程中开关活动性的降低 115

5.1.3 通过数据通路调度减少峰值功率 120

5.1.4 可变电压处理器调度 121

5.1.5 基于低功耗或高性能可变电压、频率、延迟和多电压系统的设计和综合 123

5.2 一种能耗最小化方法 127

5.2.1 目标架构和数据通路规范 128

5.2.2 时间约束调度 129

5.2.3 资源约束调度 136

5.2.4 能耗最小化方法总结 141

数字集成电路功耗与测试综合优化

第6章 应用多目标遗传算法的高层次多电压功耗优化方法 143

6.1 问题表示 144

6.1.1 问题定义 145

6.1.2 遗传算法的染色体编码 145

6.1.3 问题的数学模型表示 146

6.2 无效染色体的形成原因 147

6.3 违反时间和违反面积约束的无效染色体的解决 147

6.3.1 问题转换 147

6.3.2 基于Pareto强度值的个体排序 149

6.4 违反数据依赖关系的无效染色体的解决 149

6.4.1 基于数据依赖的单点杂交算子151

6.4.2 无效染色体的重调度分配 153

6.5 基于Pareto强度值和数据依赖单点杂交的多目标遗传算法 155

6.6 实验结果 155

第7章 峰值功耗优化改进的力引导调度方法 159

7.1 基本的力引导调度算法 161

7.2 改进的功耗优化的力引导调度算法 162

7.2.1 单周期操作的峰值功耗优化的力引导调度算法 163

7.2.2 多周期操作的峰值功耗优化的力引导调度算法 168

7.3 实验结果 170

第8章 基于多项式符号代数的高层次综合方法 173

8.1 多项式符号表示和运算 178

8.1.1 一元多项式的定义 178

8.1.2 一元多项式的运算 178

8.1.3 多元多项式的符号表示 179

8.1.4 多元多项式的运算 180

8.2 基于多项式符号代数的高层次测试综合方法 180

8.3 基于多项式符号代数的高层次低功耗综合方法 181

8.4 基于多项式符号代数的高层次综合研究展望 182

8.4.1 研究内容、目标及拟解决的关键问题 182

8.4.2 研究采用的方法、技术路线及可行性分析 184

8.4.3 相关研究的学术思想及创新之处 186

8.4.4 研究所涉及的学科交叉情况 187

8.4.5 相关研究的后续发展潜力 187

8.5 本章小结 188

第9章 总结与展望 189

参考文献 192