📚 课程目录第4章门级仿真中的延迟模型与SDF反标

4. 门级仿真中的延迟模型与SDF反标

门级仿真的价值，很大程度上取决于“时间”是否被正确建模。RTL 仿真通常只关心功能对不对，而门级仿真必须回答另一个问题：信号经过每一级标准单元、每一条互连线之后，究竟延迟了多少。Xcelium 通过延迟模型与 SDF 反标（Back-Annotation）把综合、布局布线后的真实时序信息注入网表，使仿真时间轴逼近硅片行为。本节围绕分布式延迟、引脚到引脚延迟和 SDF 文件结构展开，并给出在 Xcelium 中完成反标与延迟检查的完整方法。

一、三种延迟模型：从集总到分布式

Verilog 为门和模块定义了三种延迟模型，它们决定了延迟如何分配到输出端：

集总延迟（Lumped Delay）：把整条路径的延迟全部加在最后一个输出上，中间节点无延迟。写法如 and #5 u1 (out, a, b);，out 相对输入整体延后 5 个时间单位。
引脚到引脚延迟（Pin-to-Pin / Path Delay）：为每一对“输入引脚→输出引脚”单独指定延迟，可精确描述不同输入路径的差异。写法如 and u1 (out, a, b); specify (a => out) = 3; (b => out) = 5; endspecify。
分布式延迟（Distributed Delay）：把延迟分散到多个输出或内部节点上，使各输出在不同时刻翻转，最贴近真实门内部与连线的物理行为。

三者的关键区别在于“延迟放在哪里”。集总延迟最粗糙，引脚到引脚延迟最灵活，分布式延迟最接近物理现实。SDF 反标主要作用于引脚到引脚延迟和互连延迟，因此理解这一模型是读懂 SDF 的前提。

二、引脚到引脚延迟与 specify 块

引脚到引脚延迟通过 specify 块描述，是 SDF 反标真正写入的目标。一个典型的 specify 块包含路径延迟、时序检查和条件路径：

module dff (q, d, clk);
  output q; input d, clk;
  specify
    (clk => q) = (2.1, 1.8);        // 上升/下降延迟
    (d => q)   = (1.5, 1.3);
    $setup(d, posedge clk, 0.8);    // 建立时间检查
    $hold(posedge clk, d, 0.3);     // 保持时间检查
  endspecify
endmodule

括号中的两个数值分别对应输出上升沿和下降沿的延迟。SDF 反标时，工具会按 (clk => q) 这样的路径名匹配，把 SDF 中的 IOPATH 数值填入对应位置。若网表中的路径名与 SDF 不一致，反标会失败或部分失败，因此路径匹配是调试重点。

三、SDF 文件结构

SDF（Standard Delay Format）是文本格式的延迟描述文件，由布局布线工具生成。其结构自上而下为：DELAYFILE 头 → CELL → INSTANCE → 延迟条目。核心条目有三类：

IOPATH：引脚到引脚的路径延迟，对应 specify 中的路径。
INTERCONNECT：互连线延迟，描述模块端口到内部节点或模块间的连线延时。
TIMINGCHECK：建立、保持、脉宽等时序检查约束。

(DELAYFILE
  (SDFVERSION "3.0")
  (DIVIDER /)
  (TIMESCALE 1ns)
  (CELL
    (CELLTYPE "dff")
    (INSTANCE top/u1)
    (DELAY
      (ABSOLUTE
        (IOPATH clk q (2.1) (1.8))
        (IOPATH d q (1.5) (1.3))))
    (TIMINGCHECK
      (SETUP d (posedge clk) (0.8))
      (HOLD (posedge clk) d (0.3)))))

注意 TIMESCALE 1ns 与仿真时间精度的关系：若仿真精度为 1ps，SDF 中的 2.1 会被解释为 2.1ns，即 2100ps。时间尺度不一致是反标后延迟“看起来不对”的常见原因。

四、在 Xcelium 中完成 SDF 反标

Xcelium 通过 -sdf 选项在编译或仿真阶段加载 SDF。常用形式如下：

xrun -f run.f \
     -sdf max:top/u1:top.sdf \
     -sdf max:top/u2:top.sdf \
     -timescale 1ns/1ps

其中 max 表示使用 SDF 中的最大值（对应最坏时序），也可用 min、typ。冒号后依次是实例路径和 SDF 文件。若整个设计共用一个 SDF，可写 -sdf max:top:top.sdf。反标完成后，Xcelium 会在日志中报告匹配与未匹配的条目数量，这是判断反标是否成功的第一手依据。

建议在仿真前用 -sdf_verbose 打开详细日志，逐条查看 IOPATH 是否命中。未匹配条目通常源于层次路径错误、实例名大小写不一致或 SDF 与网表版本不匹配。

五、延迟检查与结果判读

反标只是把延迟写进去，是否真正生效还要靠检查。常用手段有三类：

波形观察：在关键路径上测量输入跳变到输出跳变的实际时间差，与 SDF 中的 IOPATH 数值比对。例如 SDF 写 (IOPATH clk q (2.1) (1.8))，波形上 clk 上升沿到 q 上升沿应约为 2.1ns。
时序违例报告：当 $setup、$hold 被违反时，仿真器会输出 violation 信息，包含实例、检查类型和裕量。
反标统计：查看日志中 annotated / not annotated 的条目数，确认覆盖率。

若发现延迟未生效，按以下顺序排查：确认 -sdf 的实例路径与网表层次一致；确认 SDF 的 TIMESCALE 与仿真精度匹配；确认 specify 块存在且路径名与 SDF 的 IOPATH 对应；确认没有用 +delay_mode_zero 之类的选项把延迟清零。逐项排除后，门级仿真的时间轴才能真正反映签核所需的时序行为。

门级仿真中若同时存在 SDF 反标和网表内嵌延迟，二者可能叠加。通常应让 SDF 覆盖网表延迟，或在编译时忽略网表延迟，避免延迟被重复计算。