CN112989737B - 一种交互式模拟电路版图编辑方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种交互式模拟电路版图编辑方法及系统，将用户输入的命令流翻译为内部操作流，被记录在模拟电路版图设计的数据结构上，采用基于分治思想和拓扑排序的快速合法化算法对版图数据结构进行更新，得到更新的编辑后版图。交互式模拟电路版图编辑系统包括用户界面、版图自动生成初级布局模块、命令流翻译模块、混合约束图创建模块、操作流更改模块、版图即时合法化模块。利用本发明可以实现用户交互式编辑模拟电路的版图，快速获得合法化之后的版图结果，节省版图设计的时间成本，可控高效地实现可定制化版图设计。

Description

一种交互式模拟电路版图编辑方法及系统

技术领域

本发明属模拟电路设计技术，涉及模拟电路版图的交互式编辑技术，具体涉及一种交互式模拟电路版图编辑方法及系统，是一种利用模拟电路自动化工具生成初始的布局版图，为用户定义版图编辑的命令集合和操作界面，通过快速版图合法化算法支持实时版图编辑反馈的方法。

背景技术

目前，模拟电路的版图设计仍然严重依赖于人工设计。随着大规模集成电路的发展，全人工设计的效率逐渐不能满足需求，因此出现了全自动化的模拟电路版图设计工具。目前，现有的模拟电路设计全自动化工具包括明尼苏达大学的ALIGN工具以及德克萨斯大学奥斯汀分校的MAGICAL工具。模拟电路全自动化工具的框架一般包括几个阶段：基于模拟电路网表文件的版图约束自动抽取，确定器件位置的模拟电路布局，确定器件连线的模拟电路布线。这些全自动化版图工具的设计思想是中间计算过程对于用户是黑盒子，用户不可修改版图设计的中间结果，输入电路网表和工艺库得到版图结果。

传统的模拟电路版图设计流程存在以下不足之处：

(1)全人工的模拟电路版图设计效率过低，设计师需要人工处理大量的设计规则，消耗过高的版图设计师的工作量，不适应于大批量的模拟电路版图设计工作。

(2)全自动化的模拟电路版图设计工具的版图设计流程是黑盒子，无法满足版图设计师的编辑修改需求，对版图结果调试困难，不适用于有高性能要求的模拟电路版图设计的定制化工作。

综上所述，现有传统的模拟电路版图设计方法不完全适应于当前模拟电路版图设计的需求，难以兼顾流程效率与设计自由度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种交互式模拟电路版图编辑方法及系统，建立可交互式的模拟电路版图编辑框架，可以利用模拟电路版图全自动工具生成初始版图，允许用户使用命令或图形界面操作对版图结果进行编辑，并通过快速化合法化(legalization)算法将编辑后的版图合法化(legalization)，实时向用户反馈版图结果。这种方法结合了全人工模拟电路版图设计和全自动模拟电路版图设计的优点，可以避免处理详细的设计规则，提高电路版图设计效率，并具有高度的可定制化。

在本发明中，用户的编辑基于定义的命令集合，用户使用时输入一串命令流，本发明将用户的命令流翻译为内部操作流，这些内部操作作用于模拟电路版图的底层数据表示，底层数据表示包括混合约束图、约束集合以及器件位置信息，负责维护模拟电路版图设计的数据结构，混合约束图(mixed constraint graph)是本发明设计的一种表示版图中器件相对位置的拓扑结构的数据结构，内部操作流所作的修改被分别记录在对应的底层数据表示里。在用户选择将编辑的版图合法化(legalization)时，本发明调用快速合法化(legalization)算法更新底层数据表示，快速合法化(legalization)算法考虑约束集合中的几何约束组，依据几何约束组将版图划分为多个版图块，在各个版图块内基于混合约束图的拓扑排序依次更新器件的位置，更新过的版图块间按照原有位置关系消除重叠部分，在线性时间复杂度内得到合法(legalized)的模拟电路版图并反馈给用户。

本发明的技术方案是：

一种交互式模拟电路版图编辑方法，是一种支持快速合法化(legalization)的交互式模拟电路设计版图的编辑方法，用户在可视化界面或命令行中输入命令流，命令流翻译为内部操作流，并被记录在模拟电路版图设计的数据结构上，调用基于分治思想和拓扑排序的快速合法化(legalization)算法，对版图数据结构进行更新，得到更新的编辑后版图；包括以下步骤：

A.用户命令输入：根据模拟电路的网表文件生成模拟电路初始布局版图，定义用户命令集合，输入一串命令流用于编辑模拟电路版图；

输入模拟电路的网表文件(netlist)，调用全自动工具MAGICAL的布局(placement)算法，生成初始布局版图结果，将初始版图展示在图形化界面上。预定义用户命令集合，用户命令集合包含细粒度操作{move,spacing,resize,swap}，以及高层次操作{arrayAdd,symAdd}。{move,spacing,resize,swap}分别表示移动器件到指定坐标、指定两个器件间的宽度、改变器件的形状、交换两组器件的位置操作；{arrayAdd,symAdd}，分别表示增加一组阵列约束、增加一对对称约束操作。用户在图形界面或命令行输入一串连续的命令集合中的命令(即命令流模式)用以编辑模拟电路版图。

用户命令集合可拓展，可根据不同的定制需求自定义用户命令集合。对于可视化的版图，用户的需求是调整版图器件的位置关系、版图的几何特征，以满足特定的性能需求，即实现对版图的编辑。用户的编辑被表示为命令流，传递给后续处理器，通过后续处理器进行命令翻译、底层数据表示更新、布局合法化(即步骤B和C)。

B.设计维护模拟电路版图的数据结构，将命令流翻译为混合约束图上的内部操作流；包括：

定义混合约束图(mixed constraint graph)，混合约束图是本发明设计的一种表示模拟电路版图中器件相对位置的拓扑结构的数据结构。

定义在混合约束图上的内部操作，内部操作用于模拟电路版图的底层数据表示。

底层数据表示包括混合约束图、约束集合以及器件位置信息，负责维护模拟电路版图设计的数据结构。

将命令流翻译为混合约束图上的内部操作流，内部操作流所作的修改被分别记录在对应的底层数据表示中。相对于用户的高层次编辑，内部操作作用在底层数据表示上，是用户编辑对版图修改到底层数据表示的映射；定义在混合约束图上的内部操作集包括{insert,remove,modify}，分别表示将一个器件插入到图中、将一个器件从图中移除以及修改图中参数的数值的操作；命令流翻译将用户命令{move,spacing,resize,swap}翻译为{insert,remove,modify}的组合。将命令集中的粗粒度操作{arrayAdd,symAdd}直接翻译为对约束集合的增删。

C.即时版图合法化(legalization)：

对于经过步骤B的底层数据表示更新后的模拟电路版图，通过采用本发明提出的即时合法化(legalization)算法进行模拟电路版图合法化。该算法包含三个阶段，第一阶段将版图按照约束集合中几何约束组切分为版图块，第二阶段对于切分得到的版图块内部进行合法化(legalization)，在保持相对位置的拓扑结构的前提下消除所有的器件位置重叠，第三阶段对版图块间进行合法化(legalization)，消除版图块间的器件位置重叠。

C.1模拟电路版图切分为版图块：

模拟电路版图具有包含对称约束组、阵列约束组等多种几何约束的约束集合，本方法在底层数据表示中维护了可动态增删的约束集合，对于约束集合中所有的约束组，计算约束组的边界区(boundary box)，记为四个坐标参数{x^l,x^r,y^b,y^t}，分别表示约束组中器件在x轴方向最小的坐标、最大的坐标、在y轴方向最小的坐标、最大的坐标。将得到的{x^l}{x^r}{y^b}{y^t}按照升序排序，从小到大扫描x轴方向的参数，假如存在某个x^r的下一个参数是某个x^l，则在该x^r坐标与x^l坐标中间位置增加一条平行于y轴的虚拟切分线，y轴方向同理。平行于x轴、y轴的虚拟切分线将版图划分为网格状，将相邻且与同一个约束组相关的网格合并为一个版图块；基于模拟电路版图的数据结构为每个版图块构造对应的混合约束图，并为各个版图块间的相对位置关系构造一个全局的混合约束图。

C.2版图块内合法化(legalization)：对于某个版图块内，假如该版图块包含一个模拟电路的对称约束组，对于对称轴平行于y轴的对称约束组，该版图块将混合约束图自对称轴分成左混合约束图及右混合约束图。版图块对应的混合约束图属于有向无环图结构，可以计算得到一个拓扑排序的序列，按照拓扑排序的顺序，沿固定方向逐个移动器件，保证器件之间无重叠。

C.3版图块间合法化(legalization)：完成上述步骤后，对全局的混合约束图做拓扑排序，得到版图块的序列，按照序列的顺序改变版图块的相对位置，保证版图块之间无重叠。

通过上述步骤，即实现交互式模拟电路版图的编辑。

本发明具体实施实现了一种交互式的模拟电路版图编辑系统，包括用户界面、版图自动生成初级布局模块、命令流翻译模块、混合约束图创建模块、操作流更改模块、版图即时合法化模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种可交互式的模拟电路版图编辑的方法，利用本发明的技术方案，可以实现用户交互式编辑模拟电路的版图，用户可以通过命令便捷地编辑由自动化工具生成的初始版图并快速获得合法化之后的版图结果，节省版图设计者的时间成本，实现高度的可定制化版图设计，为版图设计者提供可控的高效版图设计。

附图说明

图1为本发明提供的交互式模拟电路版图的编辑方法的流程框图。

图2为本发明提出混合约束图的数据结构示意图；

其中左图为器件布局的示例，右图为与左图对应的混合约束图，1、2、3、4、5表示模拟电路中不同的器件，a是混合约束图中的水平约束边，b是垂直约束边。

图3为本发明提出的即时合法化算法的一次运算过程的示意图；

其中，1是版图切分，2是版图块内合法化，3是移动器件，4是混合约束图上拓扑排序的顺序；A是版图块，B是版图块内对称约束组，C是虚拟切分线，D是版图块内对称约束组B对应的对称轴；E、F、G、H是不同的器件，器件G与器件H关于对称轴D有对称约束；a是移动器件3的一种，向y轴正方向移动器件；b是移动器件3的一种，向x轴负方向移动器件；c是移动器件3的一种，对称移动。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种交互式的模拟电路版图编辑方法。附图1展示了本发明方法的流程框架，本发明的用户界面包括命令行界面以及图形界面，初级布局结果由模拟电路的版图自动化工具生成，展示在用户界面上，用户编辑版图输入的命令流被翻译为操作流，操作流的更改记录在底层数据结构上，通过即时合法化更新版图，更新后的版图再次显示在用户界面上。

本发明具体实施实现了一种交互式的模拟电路版图编辑系统，包括用户界面、版图自动生成初级布局模块、命令流翻译模块、混合约束图创建模块、操作流更改模块、版图即时合法化模块。其中，用户界面包括命令行界面以及图形界面；初级布局结果由模拟电路的版图自动化工具生成，展示在用户界面上；用户编辑版图输入的命令流被翻译为操作流，操作流的更改记录在底层数据结构上，通过即时合法化模块更新版图，更新后的版图再次显示在用户界面上。版图即时合法化模块包括：版图切分子模块、版图块内合法化子模块、版图块间合法化子模块。

本发明的具体实施方法如下：

A.自动化工具生成初始布局结果，用户发起版图编辑，输入命令流：

输入模拟电路的网表文件(netlist)以及工艺库(technology library)，调用模拟电路版图自动化工具MAGICAL的约束生成算法以及布局算法，得到初始的布局版图，展示在用户界面上，用户基于初始版图以及设计目标，对初始版图进行编辑。在命令行界面中，用户直接输入命令进行编辑，在图形界面中，用户使用鼠标点击完成等价命令。预定义的用户命令的集合包括细粒度{move,spacing,resize,swap}，分别表示移动器件到指定坐标、指定两个器件间的宽度、改变器件的形状、交换两组器件的位置，以及高层次操作{arrayAdd,symAdd}，分别表示增加一组阵列约束、增加一对对称约束。命令集合是可拓展的，对于不同的定制需求，用户可自定义命令集合。用户的编辑被表示为一串命令流，传递给软件的处理器。

B.将用户命令流翻译为内部操作流，更新版图的底层数据表示：

用户的命令被翻译为作用在版图的底层数据表示上的内部操作。版图的底层数据表示包括混合约束图、约束集合以及器件的位置信息。约束集合是记录模拟电路版图的约束的集合，这些约束被用于指导模拟电路的布局布线以生成高质量的版图，器件的位置信息即版图的几何信息。混合约束图是本发明提出的用于表示版图中器件相对位置关系的拓扑的数据结构，如附图2，附图2的左图是版图局部的示例，右图是对应的混合约束图，器件1与器件4有直接的左右位置关系，在混合约束图上表示为边a，虚线有向边类型为水平约束边，器件5与器件4有直接的上下位置关系，在混合约束图上表示为边b，实线有向边类型为竖直约束边，一个版图可以映射到一个有向无环异质图(heterogeneous graph)，即混合约束图。

预定义的内部操作的集合包括作用在混合约束图上的{insert,remove,modify}，分别表示将一个器件插入到图中、将一个器件从图中移除以及修改图中参数的数值，以及作用在约束集合上的增删。命令集中的细粒度操作{move,spacing,resize,swap}，其中move命令可以翻译为对同一个器件的一次remove操作和一次insert操作，spacing命令可以翻译为对连接两个器件的边的权值的一次modify操作，resize命令可以翻译为对器件长宽参数的一次modify操作，swap命令可以翻译为对两个器件的两次remove操作和两次insert操作。命令集中的粗粒度操作{arrayAdd,symAdd}被直接翻译为对约束集合的增删。命令流翻译为内部操作流，对底层数据表示进行更新。

C.基于约束集合中的约束组对版图切分，分治处理版图：

编辑后的数据结构对应的版图中可能出现大量的器件重叠问题，不是合法的版图，利用分治的思想将版图按照约束集合中的几何约束组切分成版图块，进行合法化处理。版图切分过程如附图3的过程1，B是某个对称约束组，为B计算边界区(boundary box)，附图中为包围B的虚线框，记为四个坐标参数{x^l,x^r,y^b,y^t}，分别表示约束组中器件在x轴方向最小的坐标、最大的坐标、在y轴方向最小的坐标、最大的坐标。将得到的{x^l}{x^r}{y^b}{y^t}按照升序排序，从小到大扫描x轴方向的参数，假如存在某个x^r的下一个参数是某个x^l，则在它们中间位置增加一条平行于y轴的虚拟切分线，y轴方向同理，B与另一个对称约束组之间有平行于x轴的虚拟切分线C。平行于x轴、y轴的虚拟切分线将版图划分为网格状，将相邻且与同一个约束组相关的网格合并为一个版图块，对称约束组B对应为版图块A，基于版图本身的混合约束图，取与版图块A器件相关的子图作为版图块A的混合约束图，并为所有版图块的相对位置的拓扑建立一个全局的混合约束图。

D.基于混合约束图上的拓扑排序，消除版图块内器件间重叠：

附图2的过程2表示将版图A合法化，消除版图块A内部的器件重叠。版图块A中虚线D为对称约束组B的平行于y轴的对称轴，对称轴D将版图块A从几何上划分为左半版图和右半版图，版图块A在左半版图上的子图为左混合约束图，右半为右混合约束图，虚线表示在左混合约束图和右混合约束图上的一个拓扑排序的器件序列，按照拓扑排序的顺序依次移动器件，器件的移动方向在对称轴D左侧固定为向x轴负方向移动或向y轴正方向移动，表示为移动a与移动b，在对称轴D右侧固定为向x轴正方向移动或向y轴正方向移动，器件F与器件E有重叠，器件E有指向器件F的竖直约束边，器件F将向y轴正方向移动以消除与器件E的重叠，同理器件G向x轴负方向移动，器件H与器件G关于对称轴D有对称约束，在沿着左混合约束图的拓扑排序的序列遍历到器件G，沿着右混合约束图的拓扑排序遍历到器件H，器件H按照与器件G对称的方式进行移动c。沿着拓扑排序的序列遍历器件的方式不会导致回溯，在线性复杂度内可以消除版图块A中的器件重叠。

E.根据全局混合约束图，消除版图块间的器件重叠：

类似于步骤D，计算全局混合约束图的拓扑排序，拓扑排序给出一个版图块的序列。按照拓扑排序给出的版图块序列，以固定方向，x轴正方向以及y轴正方向，移动版图块，使得版图块与有约束边指向该版图块的版图块间无器件重叠。遍历序列的版图块，消除版图块间的器件重叠，得到合法的新版图，向用户界面展示新版图。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的范围内，各种替换和修改都是可能的，包括但不限于：拓展用户命令集合、修改支持的约束集合等。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种交互式模拟电路版图编辑方法，将用户输入的命令流翻译为内部操作流，被记录在模拟电路版图设计的数据结构上，采用基于分治思想和拓扑排序的快速合法化算法对版图数据结构进行更新，得到更新的编辑后版图；包括以下步骤：

A.用户命令输入：根据模拟电路的网表文件生成模拟电路初始布局版图，定义用户命令集合，输入一串命令流用于编辑模拟电路版图；

用户命令集合包含细粒度操作{move,spacing,resize,swap}和高层次操作{arrayAdd,symAdd}；{move,spacing,resize,swap}分别表示移动器件到指定坐标、指定两个器件间的宽度、改变器件的形状、交换两组器件的位置操作；{arrayAdd,symAdd}分别表示增加一组阵列约束、增加一对对称约束操作；用户命令集合可拓展；

用户输入一串连续的命令集合中的命令，表示用户对模拟电路版图的编辑需求；将用户输入表示为命令流，用于编辑模拟电路版图；

B.设计维护模拟电路版图的数据结构，将命令流翻译为混合约束图上的内部操作流；包括：

B1.定义混合约束图，所述混合约束图为表示模拟电路版图中器件相对位置的拓扑结构的数据结构；

B2.定义混合约束图上的内部操作，内部操作用于模拟电路版图的底层数据表示；底层数据表示包括混合约束图、约束集合以及器件位置信息，负责维护模拟电路版图设计的数据结构；

B3.将命令流翻译为混合约束图上的内部操作流，内部操作流所作的修改被分别记录在对应的底层数据表示中；

内部操作作用在底层数据表示上是用户编辑对版图修改到底层数据表示的映射；定义在混合约束图上的内部操作包括{insert,remove,modify}，分别表示将一个器件插入到图中、将一个器件从图中移除以及修改图中参数的数值的操作；将命令集中的粗粒度操作{arrayAdd,symAdd}直接翻译为对约束集合的增删；

C.即时版图合法化：

对经过步骤B的底层数据更新后的模拟电路版图，通过采用即时合法化算法进行模拟电路版图合法化；该算法包含三个阶段：

C1.第一阶段将模拟电路版图按照约束集合中几何约束组切分为版图块；包括如下过程：

C11.模拟电路版图具有包含对称约束组、阵列约束组等多种几何约束的约束集合；在底层数据表示中维护可动态增删的约束集合，对于约束集合中所有的约束组，计算约束组的边界区，记为四个坐标参数{x^l,x^r,y^b,y^t}，分别表示约束组中器件在x轴方向最小的坐标、最大的坐标、在y轴方向最小的坐标、最大的坐标；

C12.将得到的{x^l}{x^r}{y^b}{y^t}按照升序排序，从小到大扫描x轴方向的参数；

C13.当存在某个x^r的下一个参数是某个x^l时，在该x^r坐标和该x^l坐标中间位置增加一条平行于y轴的虚拟切分线，y轴方向同样处理；

C14.平行于x轴、y轴的虚拟切分线将版图划分为网格状，将相邻且与同一个约束组相关的网格合并为一个版图块；

C15.基于模拟电路版图的数据结构为每个版图块构造对应的混合约束图，并为各个版图块间的相对位置关系构造一个全局的混合约束图；

C2.第二阶段对于切分得到的版图块内部进行合法化，在保持相对位置的拓扑结构的前提下消除所有的器件位置重叠；

版图块内合法化是：假如版图块包含一个模拟电路的对称约束组，对于对称轴平行于y轴的对称约束组，对该版图块将混合约束图自对称轴分成左混合约束图及右混合约束图；版图块对应的混合约束图属于有向无环图结构，通过计算得到一个拓扑排序的序列，按照拓扑排序的顺序，沿固定方向逐个移动器件，使得器件之间无重叠；

C3.第三阶段对版图块间进行合法化，消除版图块间的器件位置重叠；

对全局的混合约束图做拓扑排序，得到版图块的序列，按照序列的顺序改变版图块的相对位置，使得版图块之间无重叠；

通过上述步骤，即实现交互式模拟电路版图的编辑。

2.如权利要求1所述的交互式模拟电路版图编辑方法，其特征是，步骤A具体采用全自动工具MAGICAL的布局算法，生成初始布局版图结果，将初始版图展示在图形化界面上。

3.如权利要求1所述的交互式模拟电路版图编辑方法，其特征是，用户在图形界面或命令行输入一串连续的命令集合中的命令。

4.一种交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，所述交互式的模拟电路版图编辑系统实现如权利要求1所述的交互式模拟电路版图编辑方法；包括用户界面、版图自动生成初级布局模块、命令流翻译模块、混合约束图创建模块、操作流更改模块、版图即时合法化模块。

5.如权利要求4所述交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，用户界面包括命令行界面和图形界面中至少一种。

6.如权利要求4所述交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，版图自动生成初级布局模块通过模拟电路的版图自动化工具生成初级布局结果并展示在用户界面上。

7.如权利要求4所述交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，命令流翻译模块用于将用户编辑版图输入的命令流翻译为操作流，操作流的更改记录在底层数据结构上。

8.如权利要求4所述交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，通过版图即时合法化模块更新版图，更新后的版图再次显示在用户界面上。

9.如权利要求8所述交互式的模拟电路版图编辑系统，其特征是，版图即时合法化模块包括：版图切分子模块、版图块内合法化子模块、版图块间合法化子模块。