数字集成电路动态功耗优化策略分析与评估
芯华章持续助力第四届集成电路eda设计精英挑战赛，并邀请华南理工大学王小航教授带来详细的赛题解析，希望能够帮助同学们更加从容应对赛事，赛出水平！ 1
赛题背景分析
低功耗设计是数字系统非常重要的考虑因素。为了支持低功耗设计，首先要对功耗进行计算。功耗可分为静态功耗（漏电流引起）和动态功耗（门翻转引起）。在本赛题中，我们主要考虑动态功耗的计算方法。 动态功耗的计算公式如下： 其中，vdd为电压，c为等效电容，tr为翻转率，即单位时间内逻辑门从0→1或从1→0的翻转次数。我们可以把电压和等效电容近似视为常数，对于不同的电路负载，统计其tr，就可以计算动态功耗。 这道赛题的目的，就是让大家通过vcd文件来统计一个电路负载的翻转率。 如何得到翻转率呢？我们回顾一下，在电路设计的时候，先设计其rtl（如verilog）代码，并编写testbench给出激励进行测试，如下所示： 用常见的仿真工具跑如上rtl代码和testbench，可得到如下的输出结果波形： 信号变化波形图（芯华章科技股份有限公司-fusion debug 提供） 仿真工具可以把上述波形输出vcd文件，类似： 好，现在重点来了。给定vcd文件（其实就是波形的文本表示），我们就可以统计翻转率，进而利用上述的功耗公式来计算动态功耗，它们之间的逻辑关系如下图： 在本赛题中，我们只关注如何从vcd文件（对应波形）到翻转率的解析。 2
赛题要点解析
本赛题主要就是进行vcd文件的解析，然后根据题目的要求，得到不同的统计结果（如翻转次数tc，信号逻辑值为1的时间t1, 信号逻辑值为0的时间t0，信号逻辑值为x的时间tx，以及信号逻辑值为1的概率又称静态概率sp）、某个时间窗口的统计结果、不同层次信号的统计结果。 因此，首先需要定义一些数据结构表示信号时间序列，可以用数组或者vector等，将vcd文件读取、解析为这些信号时间序列变量，再针对这些变量进行统计分析，得到所需的输出。如下图所示： 2.1 vcd文件解析 vcd文件解析的思路如下： 首先扫描文件头，建立每个信号对应的数组或者vector。
将vcd文件看作是不同时间段的信号改变，对于一个时间段，扫描各个变量的值的变化，记录其变化，就构成了时间序列。
这样，扫描完一个文件之后，各个变量随时间变化的序列就存下来了。 2.2 统计输出 有了信号的时间序列值，可以根据题目要求打印统计结果。主要考虑几方面： 翻转率等参数的计算，需要统计1和0的时间。
一个时间窗口的统计值，需要截取一个时间窗口进行计算。
层次化的信号，需要从文件中读取信号间的层次关系进行计算。
对于题目中的加分项，即给定vcd文件画波形，可以尝试采用matlab或者python等工具，生成一个数组和画图脚本，调用这些外部画图工具来画图。 2.3 多核加速 在题目要求中提到了多核加速，假如你的电脑有多个核，就可以用多线程方式加速。多核加速的本质是将任务划分到多个线程，让多个线程在多个核上同时运行从而提高计算速度。 加速方法有两种，一种是将文件读入到内存，然后将不同的行分配到不同的核/线程来处理，我们称之为横向划分；另外一种是将文件切分开分到不同的核，每个核处理文件的不同段，我们称之为纵向划分。 可以采用pthread或者openmp进行并行编程，需要注意线程间的同步和锁机制。 2.4 文件处理 当vcd文件很大时，为了减少一次性读入占用太多内存，可以每次读入一部分文件存在内存中，如用getline等函数每次读一行等。 3
建议解题步骤
1
对vcd的基本语法先熟悉一下，如信号名字的对应关系，每一行表示什么含义等。
2
实现vcd文件到信号时间序列变量的转换。这是一个文本逐行解析的过程。
3
写统计分析的模块，每个模块对应不同的统计需求，相对独立。
4
学习pthread或openmp多线程编程，学习如何创建线程、线程间如何同步、加锁等。
5
用pthread或openmp提高你的程序的效率，这里需要并行划分程序。
6
尝试一下不同的文件读取速度和占用内存情况，选择一个占用内存比较小的方式。
4
其它注意事项
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赛题背景分析
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本赛题主要就是进行vcd文件的解析，然后根据题目的要求，得到不同的统计结果（如翻转次数tc，信号逻辑值为1的时间t1, 信号逻辑值为0的时间t0，信号逻辑值为x的时间tx，以及信号逻辑值为1的概率又称静态概率sp）、某个时间窗口的统计结果、不同层次信号的统计结果。 因此，首先需要定义一些数据结构表示信号时间序列，可以用数组或者vector等，将vcd文件读取、解析为这些信号时间序列变量，再针对这些变量进行统计分析，得到所需的输出。如下图所示： 2.1 vcd文件解析 vcd文件解析的思路如下： 首先扫描文件头，建立每个信号对应的数组或者vector。
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这样，扫描完一个文件之后，各个变量随时间变化的序列就存下来了。 2.2 统计输出 有了信号的时间序列值，可以根据题目要求打印统计结果。主要考虑几方面： 翻转率等参数的计算，需要统计1和0的时间。
一个时间窗口的统计值，需要截取一个时间窗口进行计算。
层次化的信号，需要从文件中读取信号间的层次关系进行计算。
对于题目中的加分项，即给定vcd文件画波形，可以尝试采用matlab或者python等工具，生成一个数组和画图脚本，调用这些外部画图工具来画图。 2.3 多核加速 在题目要求中提到了多核加速，假如你的电脑有多个核，就可以用多线程方式加速。多核加速的本质是将任务划分到多个线程，让多个线程在多个核上同时运行从而提高计算速度。 加速方法有两种，一种是将文件读入到内存，然后将不同的行分配到不同的核/线程来处理，我们称之为横向划分；另外一种是将文件切分开分到不同的核，每个核处理文件的不同段，我们称之为纵向划分。 可以采用pthread或者openmp进行并行编程，需要注意线程间的同步和锁机制。 2.4 文件处理 当vcd文件很大时，为了减少一次性读入占用太多内存，可以每次读入一部分文件存在内存中，如用getline等函数每次读一行等。 3
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1
对vcd的基本语法先熟悉一下，如信号名字的对应关系，每一行表示什么含义等。
2
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3
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4
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5
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6
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4
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