在數字集成電路領域中，隨著VLSI集成度和時鐘頻率的不斷提高，使得低層次綜合效率越來越低，測試越來越困難，電路功耗問題也越來越突出。研究表明，高層次綜合與設計技術能*限度地解決上述難題，優化設計目標。本書運用高層次綜合與設計技術，對數字集成電路的功耗與測試綜合優化等課題進行深入研究，介紹和提出了一些新的表示模型、設計方法和算法，推動了數字集成電路可測性、低功耗及其相互協調等問題的解決。
本書對當前高層次綜合及可測性和低功耗設計技術進行了論述，在此基礎上對高層次測試綜合、高層次低功耗綜合以及基于多項式符號代數的VLSI高層次綜合技術進行了深入研究，探討了高層次綜合技術新的表示模型和設計方法。本書共9章。各章內容如下：
第1章介紹了研究背景和意義，以及高層次綜合、高層次測試綜合和高層次低功耗綜合的國內外研究現狀；
第2章詳細介紹了高層次綜合技術、可測性設計技術和低功耗設計技術；
第3章是高層次綜合過程可測性問題的分析和研究，介紹了高層次綜合資源分配和調度過程對可測性的影響，以及相應的可測性調度和資源分配算法；
第4章介紹了高層次綜合中與可測性相關的知識和可測性高層次綜合的4個準則，并提出了一種基于加權相容圖的可測性寄存器分配算法；
第5章介紹了高層次功耗優化理論和方法，首先概述了開展超大規模集成電路能量和功率降低研究的現有文獻，然后介紹了使用多供應電壓和動態時鐘相結合的方式，降低能量和能量延遲乘積的數據通路調度算法；第6章是應用多目標遺傳算法的高層次多電壓功耗優化方法，提出了一種在時間與資源約束下，運用遺傳算法同時進行操作調度和資源分配的高層次多電壓功耗優化方法；
第7章通過對傳統的力引導調度算法和現有的基于功耗優化的力引導調度算法的研究，提出了改進的基于單周期和基于多周期的峰值功耗優化的力引導調度算法，來實現對電路峰值功耗的優化；
第8章以高層次的表示模型和設計算法為目標，探討一種以多項式符號代數為理論依托的VLSI高層次自動設計新方法和新技術，嘗試將多項式符號理論、模型和方法的應用領域擴展到芯片高層次綜合方面；
第9章對本書的研究內容進行了歸納總結，分析了當前研究工作的缺點和不足，并探討了今后進一步的研究方向。
隨著半導體技術的飛速發展，VLSI集成度和時鐘頻率不斷提高，帶來了如下負面影響：首先，集成電路復雜度的不斷提高使得低層次綜合效率越來越低，這一問題導致高層次綜合(High-Level Synthesis，HLS)技術應運而生；其次，集成電路復雜度的不斷提高使得測試變得越來越復雜，這已成為芯片設計的一個瓶頸；最后，電路的功耗問題越來越突出，電路功耗過大，導致系統不穩定和封裝困難。因此，電路的可測性和功耗問題成為VLSI設計時首要考慮的因素。當前，許多研究表明高層次設計能夠最大限度地實現可測性和功耗的優化，這是因為它對具體實現方式的依賴性很小，選擇算法和架構的自由度高，對最終硬件實現的可測性和功耗優化效果影響顯著。因此，高層次測試綜合和高層次低功耗綜合技術日益獲得科研人員和開發人員的關注和重視。
本書對當前高層次綜合及可測性和低功耗設計技術進行了論述，在此基礎上對高層次測試綜合、高層次低功耗綜合以及基于多項式符號代數的VLSI高層次綜合技術進行了深入研究，探討了高層次綜合技術新的表示模型和設計方法。本書共9章。各章內容如下：
第1章介紹了研究背景和意義，以及高層次綜合、高層次測試綜合和高層次低功耗綜合的國內外研究現狀；
第2章詳細介紹了高層次綜合技術、可測性設計技術和低功耗設計技術；
第3章是高層次綜合過程可測性問題的分析和研究，介紹了高層次綜合資源分配和調度過程對可測性的影響，以及相應的可測性調度和資源分配算法；
第4章介紹了高層次綜合中與可測性相關的知識和可測性高層次綜合的4個準則，并提出了一種基于加權相容圖的可測性寄存器分配算法；
第5章介紹了高層次功耗優化理論和方法，首先概述了開展超大規模集成電路能量和功率降低研究的現有文獻，然后介紹了使用多供應電壓和動態時鐘相結合的方式，降低能量和能量延遲乘積的數據通路調度算法；第6章是應用多目標遺傳算法的高層次多電壓功耗優化方法，提出了一種在時間與資源約束下，運用遺傳算法同時進行操作調度和資源分配的高層次多電壓功耗優化方法；
第7章通過對傳統的力引導調度算法和現有的基于功耗優化的力引導調度算法的研究，提出了改進的基于單周期和基于多周期的峰值功耗優化的力引導調度算法，來實現對電路峰值功耗的優化；
第8章以高層次的表示模型和設計算法為目標，探討一種以多項式符號代數為理論依托的VLSI高層次自動設計新方法和新技術，嘗試將多項式符號理論、模型和方法的應用領域擴展到芯片高層次綜合方面；
第9章對本書的研究內容進行了歸納總結，分析了當前研究工作的缺點和不足，并探討了今后進一步的研究方向。
本書內容匯集了作者近十年的研究成果，是對數字集成電路功耗與測試綜合優化研究工作的總結。本書的出版得到了黑龍江省青年科學基金項目基于多項式符號代數的VLSI高層次綜合研究(QC2013C067)、黑龍江省高校青年學術骨干項目基于多項式符號代數的VLSI高層次可測性和低功耗綜合研究(1253G060)和牡丹江師范學院優秀青年骨干教師培養計劃項目超大規模集成電路高層次設計方法研究(MQP201406)的資助。
由于作者水平和經驗有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。反饋郵箱：wkservice@vip.163.com。
孫 強
于牡丹江師范學院東湖畔
2016年7月
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 2
1.2 研究現狀分析 5
1.2.1 高層次綜合研究現狀 5
1.2.2 高層次測試綜合研究現狀 5
1.2.3 高層次低功耗綜合研究現狀 8
1.3 本書的主要研究內容 11
1.3.1 新型高層次測試綜合方法研究12
1.3.2 新型高層次低功耗綜合方法研究 13
1.3.3 基于多項式符號代數的高層次新方法研究 13
1.4 本書的結構安排 14
第2章 高層次綜合理論和方法 17
2.1 高層次綜合技術 18
2.1.1 高層次綜合的基本原理 18
2.1.2 開展高層次綜合的原因 21
2.1.3 高層次綜合的不同階段 21
2.1.4 調度算法 25
2.1.5 分配算法 29
2.1.6 高層次綜合實例 32
2.2 可測性設計理論和技術 34
數字集成電路功耗與測試綜合優化
2.2.1 可測性設計技術 34
2.2.2 可測性分析技術 35
2.2.3 測試綜合技術 37
2.3 低功耗設計理論和技術 39
2.3.1 CMOS電路功耗的來源 39
2.3.2 低功耗設計方法 41
2.3.3 高層次綜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 應用頻率和電壓縮放的原因 46
2.3.7 多供應電壓、動態時鐘和多周期 47
第3章 高層次綜合過程可測性問題的分析和研究 53
3.1 資源分配過程降低時序深度 54
3.1.1 可控制性和可觀察性的提高 54
3.1.2 時序深度降低 56
3.1.3 寄存器分配的具體實現過程 59
3.1.4 模塊分過程 67
3.1.5 互連分配 68
3.1.6 實例驗證 68
3.2 資源分配過程降低時序環路 70
3.2.1 無循環調度數據流圖中的時序環路對可測性的影響 71
3.2.2 有循環調度數據流圖中的時序環路對可測性的影響 74
3.2.3 寄存器分配 78
3.3 調度過程的可測性綜合 80
3.3.1 調度過程可控制性和可觀察性的提高 80
3.3.2 通過調度來降低時序深度和時序環路 81
3.3.3 基于靈活度通路的調度算法 83
V
目 錄
3.4 應用層次化控制數據流圖解決條件資源共享可測性問題 86
第4章 應用圖理論的高層次測試綜合方法
89
4.1 高層次綜合中與可測性相關的知識 91
4.1.1 數據通路電路圖 91
4.1.2 變量的生存周期和分類 91
4.1.3 可控制性和可觀測性 92
4.1.4 時序通路 92
4.1.5 時序環路 92
4.1.6 基于可測性高層次綜合的4個準則 93
4.2 基于加權相容圖的可測性寄存器分配算法 94
4.2.1 基于可測性的寄存器分配模型94
4.2.2 寄存器分配相容圖的團劃分算法 97
4.2.3 算法的時間復雜度分析 103
4.2.4 實驗結果 104
第5章 高層次功耗優化理論和方法 109
5.1 高層次功耗優化相關研究工作 111
5.1.1 數據通路調度過程中使用電壓降低實現能量或降低平均功耗 111
5.1.2 高層次綜合過程中開關活動性的降低 115
5.1.3 通過數據通路調度減少峰值功率 120
5.1.4 可變電壓處理器調度 121
5.1.5 基于低功耗或高性能可變電壓、頻率、延遲和多電壓系統的設計和綜合 123
5.2 一種能耗最小化方法 127
5.2.1 目標架構和數據通路規范 128
5.2.2 時間約束調度 129
5.2.3 資源約束調度 136
5.2.4 能耗最小化方法總結 141
數字集成電路功耗與測試綜合優化
第6章 應用多目標遺傳算法的高層次多電壓功耗優化方法 143
6.1 問題表示 144
6.1.1 問題定義 145
6.1.2 遺傳算法的染色體編碼 145
6.1.3 問題的數學模型表示 146
6.2 無效染色體的形成原因 147
6.3 違反時間和違反面積約束的無效染色體的解決 147
6.3.1 問題轉換 147
6.3.2 基于Pareto強度值的個體排序 149
6.4 違反數據依賴關系的無效染色體的解決 149
6.4.1 基于數據依賴的單點雜交算子151
6.4.2 無效染色體的重調度分配 153
6.5 基于Pareto強度值和數據依賴單點雜交的多目標遺傳算法 155
6.6 實驗結果 155
第7章 峰值功耗優化改進的力引導調度方法
159
7.1 基本的力引導調度算法 161
7.2 改進的功耗優化的力引導調度算法 162
7.2.1 單周期操作的峰值功耗優化的力引導調度算法 163
7.2.2 多周期操作的峰值功耗優化的力引導調度算法 168
7.3 實驗結果 170
第8章 基于多項式符號代數的高層次綜合方法 173
8.1 多項式符號表示和運算 178
8.1.1 一元多項式的定義 178
8.1.2 一元多項式的運算 178
8.1.3 多元多項式的符號表示 179
8.1.4 多元多項式的運算 180
8.2 基于多項式符號代數的高層次測試綜合方法 180
8.3 基于多項式符號代數的高層次低功耗綜合方法 181
8.4 基于多項式符號代數的高層次綜合研究展望 182
8.4.1 研究內容、目標及擬解決的關鍵問題 182
8.4.2 研究采用的方法、技術路線及可行性分析 184
8.4.3 相關研究的學術思想及創新之處 186
8.4.4 研究所涉及的學科交叉情況 187
8.4.5 相關研究的后續發展潛力 187
8.5 本章小結 188
第9章 總結與展望 189
參考文獻 192
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