I n d on e s i an   Jo u r n al   o f  El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   14 ,   N o .   2 ,  M a y   201 9 ,   pp .   628 ~ 636   IS S N :   2502 - 4752 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e c s . v 1 4 .i 2 . pp 628 - 636             628       Jou r n al   h o m e pa ge :  ht t p: / / i ae s c or e . c om / j our na l s / i nde x . php/ i j e e c s   T i m i n g   v i o l a t i o n   r e d u c t i o n   i n   t h e   f p g a   p r o t o t y p e d   d e si g n   u s i n g   f a i l e d   p a t h   f i x e s   a n d   t i m e   b o r r o w i n g   t e c h n i q u e s       S al ah u d d i n   S avu gath al i ,   M u s l i m   M u s tap a,   M o h amm e d   S h ar az e l   R az a l i ,   F a z r u l   F ai z   Za k ar i a   S c hoo l   o f   C o m put e r   a nd   C o m m uni c a t i o n  E ng i n e e r i ng ,   U n i v e r i s t y   M a l a y s i a   P e r l i s ,   M a l a y s i a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d  O c t   1,   2018   R e v i s e d  D e c   10,   2018   A c c e pt e d  J an   25,   201 9       A   f a s c i na t i ng   pr o pe r t y   of   a   l a t c h - ba s e d  d e s i g n  i s   t h a t   t he   c o m bi na t i o na l   pa t h   de l a y   i s   a l l o w e d   t o   be   l o ng e r   t h a n   t h e   c l o c k  c y c l e   a s   i t   c a n  bo r r o w   t i m e   f r o m   t he   s ho r t e r   p a t h s   i n  t he   s ubs e que nt   l o g i c   s t a t e s .   T i m e   bo r r o w i ng   t e c hni que   i s   a   c o m m o n  m e t ho d  us e d  t o   s a t i s f y   t i m i ng   v i o l a t i o n  i n  a n  F P G A   pr o t o t y pe d  de s i g n.   T h e   pu r po s e   o f   t h i s   pa p e r   i s   t o   r e v i e w   t he   c ur r e n t   m e t ho do l o g y   i nv o l v e d  i n   S o C   de s i g n  p r o t o t y pi ng   us i ng   a   S y no ps y s   P r o t o c om pi l e r   a nd   H A P S - 80  pl a t f o r m   a n d  p r o po s e   a n  a pp r o a c h  by   f i xi ng   t he   f a i l e d   pa t h   i n  a   l a t c h  due   t o   t h e   g a t e d  c l o c k  c o nv e r s i o n  ( G C C )   pr o c e s s   d ur i ng   t h e   s y nt he s i s   s t a g e   w h i c h  c o ul d  l e a d  t o   t he   t i m i ng   v i o l a t i o n.   T w o   t e c hn i qu e s   a r e   a ppl i e d  i n   t hi s   pa pe r   na m e l y   t i m e   bo r r o w i ng   t e c hni qu e   a nd  o ur   p r o po s e d  t e c hni qu e ,   F a i l e d  P a t h  F i xe s   t o   r e duc e   t h e   t i m i ng   v i o l a t i o n  i n  t he   F P G A   pr o t o t y pe d  de s i g n.   T h e   r e s u l t   s ho w s   t ha t   t he   a pp l i e d  t e c hn i que s   a r e   a b l e   t o   c l o s e   t he   t i m i ng   v i o l a t i o n  i n   t h e   de s i g n  w i t h   a n  a v e r a g e   o f   90 %   i m p r o v e m e nt .   Ke y w or ds :   F a i l e d  p a t h   f i xe s   o n  l a t c h e s   FPGA   FPGA  p r o t o t y p e d  d e s i gn   G a t e d  c l o c k  c o n v e r s i o n   T i m e   b o r r o w i n g   T i m i n g   v i o l a t i o n   C opy r i gh t   ©   201 9   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e d  E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e .     A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   S a l a huddi n  S a v uga t ha l i ,     S c h o o l   of   Co m put e r  a nd  Co m m u n i c a t i o n   E n g i n e e r i ng,   U n i v e r i s t y   M a l a y s i a   P e r l i s ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   s a l a h udd i n @ s t ude n t m a i l . u ni m a p. e du . m y       1.   I N TR O D U C TI O N     N ow a da y s ,   t h e   S o C  de s i gn   h a s   b e c o m e   o n e   of   t h e   m a i n s t r e a m   i n   e l e c t r o ni c   de s i gn   a m o n g  t h e   s e m i c o n duc t o r   i n dus t r y   [1].   T h e   a dv a n c e   o f   t e c h n o l o g y   a n d   h i g h  c o m pe t i t i o n   ra t e s   b e t w e e n   i n dus t ri e s   h a v e   i n di r e c t l y   l e d  t h e   e l e c t r o ni c   c i r c ui t   de v e l o p e r   t o   p r o po s e   a   m o r e   c o m pl e x  a n d   l a r ge   S o C  de s i g n.   D ue   t o  t h e   l a r ge   s i z e   a n d  hi g h   c o m pl e xi t y   of   t h e   m o de r n   S o C  de s i gn,   i t   c a us e d  a   bo t t l e n e c k  i n   t h e   v a l i da t i o n   s t a ge .   T h e   m a i n   c a us e   f o r   t h e   b o t t l e n e c k  i s   l o n ge r  t i m e   t a ke n   t o   v a l i da t e   t h e   de s i gn   f u n c t i o na l i t i e s   [1]  a nd  hi g h - c o s t   n e e d  t o   b e   i n v e s t e d  by   t h e   s e m i c o n duc t o r  i n d us t r y   t o   f i x  t h e   e rr o r  [2] .   O n e   o f   t h e   t e c hni que s   us e d  i n   t h e   s e m i c o n duc t o r   i n dus t r y   t o   e l i m i na t e   t h e   c h a l l e n g e s   i n   t h e   v a l i da t i o n   s t a ge   i s   by   h a v i n g  a n   F P G A   pr o t o t y pi n g  t e c hn i q ue   w h i c h   i s   a b l e   t o   s o l ve   t h e   b o t t l e n e c k  p r o b l e m .   T h e   m a i n  i de a   o f   t hi s   t e c hni que   i s   t o   pr o t o t y p e   a   S o C  d e s i gn   o n   a n   F P G A   s o   t h a t ,   t h e   de s i gn   c a n  b e   v a l i da t e d  i n   a   p r e - s i l i c o n   s t a ge   [2] .   F i gu r e   1   s h o w s   a n  F P G A   p r o t o t y pi n g   f l o w   us i n g  t h e   S y n o ps y s   P r o t o c o m pi l e r  t o o l .   S o C  de s i gn   m us t   b e   r e w o r ke d  t o   m e e t   t h e   F P G A   b a s e d  r e qui r e m e nt   due   t o   t h e   di f f e r e n c e s   i n   a r c hi t e c t u r e   a nd  m e m o r y   m o dul e s   b e fo r e   m a p pi n g   i nt o   a n  F P G A .   T o   o b t a i n  a   p r o t o t y pe d  de s i gn   r e a dy ,     f e w   s t a ge s   a r e   v i s i t e d  o n   t h e   p r o t o t y pi n g   f l ow   w h i c h   b e gi n s   w i t h   a   c o m pi l a t i o n  o f   t h e   R T L   a nd  s ub s e que n t l y   t hr o ugh  t h e   p r e - m a p ,   m a p  a n d  f i n a l l y   pl a c e s   a n d  r o ut e   s t a ge   o n   V i v a do   t o o l .   T h e   ge n e r a t e d  b i t   c o n f i gura t i o n  f i l e   a t   t h e   e n d   o f   pr o t o t y pi n g   f l ow   w i l l   b e   c o n f i gur e d  i n t o   t h e   h a rdw a r e   b e fo r e   e xe c ut i n g   t h e   v a l i d a t i o n  t e s t .   In   F P G A   pr o t o t y pi n g  f l ow ,   de s i gn   pe r f o r m a n c e   i s   o n e   of   t h e   m a i n   c ha l l e nge s   t o   b e   f a c e d  i n   t h e   s e m i c o n duc t o r   i n d us t r y .   O n e   of   t h e   de s i gn   pe r f o r m a n c e   c ha l l e n ge s   fo c us e d  o n   t h i s   r e s e a r c h   i s   t h e   n e ga t i v e   s l a c k  ge n e r a t e d  duri n g  de s i g n   p r o t o t y pi n g  w h i c h   c o ul d  l e a d  t o   t h e   F P G A   pr o t o t y pe d  d e s i gn ’s   t i m i ng  r e qui r e m e nt   v i o l a t i o n  [3] .   T i m i n g   c h e c k  i s   d i v i de d  i nt o   t w o ;   s e t up  a n d   h o l d  t i m i n g .   T h e   p r e s e n t   o f   n e ga t i v e   s l a c ks   w h i c h   i s   l e s s   t ha n  a n  i de a l   v a l ue   o f   0n s   c o ul d  v i o l a t e   t h e   f un c t i o n a l i t i e s   of   t h e   F P G A   p r o t o t y pe d  de s i gn .   I t   i s   n e c e s s a r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i     IS S N :   2502 - 4752       T i m i ng   v i ol a t i on   r e d uc t i on   i n  t he   f p ga  pr o t ot y p e d   de s i g n  us i ng  f ai l e d   pat h  f i x e s …   ( Sal a hudd i n  S av ug at ha l i )   629   t o   v e r i fy   t h a t   F P G A   p r o t o t y pe   de s i gn   m e e t s   t h e   t i m i n g   r e qui r e m e n t   a nd  a b l e   t o   w o r k  w i t h   t h e   i nt e nde d  c l o c k   s pe e d.   T h e r e f o r e ,   i n   t hi s   pa pe r ,   a   r o o t   c a us e   f o r   t h e   v i o l a t i o n   o f   t i m i n g  r e qui r e m e nt   i n   t h e   de s i g n   w i l l   b e   a n a l y z e d  b e fo r e   a ppl y i n g  t h e   t i m e   b o r r o w i n g  t e c hn i q ue   a nd  o ur   p r o po s e d  t e c hn i que   F a i l e d  P a t h   F i xe s   t o  r e duc e   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n   a s   m o de rn   S o C  t i m i ng  c l o s ur e   c r i t i c a l l y   d e pe n ds   upo n   t h e   e ff e c t i v e n e s s   of   t h e   t i m i n g   f i xe s   a n d   i t s   i m p l e m e nt a t i o n   [4 ].           F i gu r e   1 .   FPGA  P r o t o t y pi n g  F l o w       T h i s   p a pe r   i s   o r g a n i z e d  a s   f o l l ow ;   S e c t i o n   2  de s c r i b e s   a n  e xi s t i n g  t e c hn i q ue   t o   c l o s e   t h e   t i m i n g   r e qui r e m e nt   v i o l a t i o n. W hi l e   S e c t i o n  3  d i s c us s e s   t h e   s t e p  i m pl e m e nt e d  i n  t hi s   r e s e a r c h  f r o m   t h e   a na l y z a t i o n  of   t h e   f a i l e d  de s i gn   u nt i l   t h e   i m pl e m e n t a t i o n   o f   t h e   a pp r o a c h e d  t e c hn i que s .   S e c t i o n   4  w i l l   s um m a ri z e   t h e   a pp r o a c h e d   t e c hni que s   w i t h  t h e   pe r c e nt a ge   o f   t h e   i m p r o v e m e n t .       2.   LI TER A TU R E  R EV I EW     T h e r e   a r e   p l e nt y   of   c h a l l e n ge s   ha d  b e e n   h i g hl i g ht e d  i n   t h e   p r e v i o us   r e s e r a c h   w h i l s t   i n   t h i s   r e s e a r c h,   r e duc i n g  t h e   t i m i ng  v i o l a t i o n   w i l l   b e   fo c us e d  o n   t h e   s i n gl e   F P G A   pr o t o t y pi n g .   I n   t h i s   s e c t i o n,   a n  o v e r v i e w   fo r   t i m i ng  a na l y s i s   of   l a t c h - b a s e d  c i r c ui t   w i l l   b e   di s c us s e d.   A   b a s i c   f un da m e n t a l   o f   t i m i n g  v i o l a t i o n,   t h e   r o o t   c a us e   fo r   t h e   f a i l u r e   o f   t h e   t i m i ng  t o   m e e t   i t s   s pe c i f i c a t i o n  f o r   F P G A   p r o t o t y pi n g  a n d   a l s o   t h e   t e c hni que s   a v a i l a b l e   a n d   i m pl i e d  by   pr e v i o us   r e s e a r c h e d   w i l l   b e   di s c us s e d  f ur t h e r.       2. 1 .     S e tu p   Ti m i n g  C h e c k   S e t up  t i m e   i s   a   m i n i m u m   a m o unt   o f   t i m e   t ha t   a   d a t a   s h o ul d   h o l d  s t a b l e   be f o r e   t h e   c a pt u r e   e v e n t   t o   e n s u r e   t h e   d a t a   a r e   r e l i a b l y   s a m pl e d  by   t h e   c l o c k.   T h i s   c h e c k  i s   a pp r o a c h e d  i n   o r de r  t o   m a ke   s u r e   t h e   pr o pa g a t i o n  s i g na l   f r o m   o n e   po i n t   t o   a n o t h e r  po i nt   i s   n o t   t a ki n g   m o r e   t ha n  t h e   r e qu i r e d  t i m e .     2. 2 .     H o l d   T i m i n g  C h e c k   H o l d  t i m e   i s   a   m i ni m um   a m o u n t   o f   t i m e   t h e   da t a   s i g na l   s h o u l d  h o l d  s t a b l e   a f t e r   t h e   c a pt u r e   e ve n t   s o  t h a t   t h e   d a t a   a r e   r e l i a b l y   s a m pl e d  by   t h e   c l oc k.   P urpo s e   of   t hi s   c h e c k  i s   t o   a s s u r e   t ha t   t h e   d a t a   w i l l   n o t   c h a nge   w h i l e   t h e   s e que n t i a l   c e l l   i s   i n  t h e   p r o c e s s   of   c a pt u r i ng  i t .     F i gu r e   1   1   c o n c l ude s   b o t h   s e t up   a nd  h o l d   t i m e s   o f   a   l a t c h   a re   m e a s u r e d  r e l a t i v e   t o   t h e   t r a i l i ng  e dge   of   t h e   c l oc k.   T h e r e f o r e ,   t h e   l o n ge s t   pa t h   a 1  m us t   a rri v e   a t   n e xt   l a t c h   L 2  b e fo r e   s e t up  t i m e   a n d  t h e   s h o r t e s t   pa t h  a 2  m us t   r e a c h   n e xt   l a t c h  L 3  a f t e r   h o l d   t i m e   i n   o r de r   t o   a c h i e v e   t h e   t i m i ng  r e qu i r e m e n t .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i ,   V o l .   14 ,   N o .   2 ,  M a y   201 9   :     628   –   6 36   630       F i gu r e   1 .   L a t c h e s   t i m i n g   d i a g ra m   [5 ]       2. 3 .     G a te d   C l o c k   C o n v e r s i o n   Cl o c k  ga t i n g  i s   a n   e ff e c t i v e   t e c h ni que   us e d  m o s t l y   i n   t h e   S o C  de s i gn   t o   s a v e   d y n a m i c   po w e r ,   w h e r e   t h e   pe c ul i a r   c l o c k  w i l l   b e   s h ut   do w n   w h e n   i t   i s   n o t   r e qui r e d  [6] .   Cl o c k  ga t i n g  c a n   b e   di v i de d  i n t o   t w o  a pp r o a c h e s ,   w h i c h   o n e   o f   t h e m   i s   R T L   c l o c k  ga t i n g.   R T L   c l o c k  ga t i ng  i s   us e d  f o r   o pt i m i z a t i o n   a n d   i m p r o v i n g   t h e   e f f i c i e n c y   of   t h e   S o C  de s i gn.   R T L   c l o c k  ga t i n g   i s   de s i g n e d  i n t o   t h e   S o C  a r c h i t e c t u r e   a s   a   p a r t   of   R T L   f un c t i o n a l i t y   w h e r e   a l l   t h e   f un c t i o n a l i t i e s   a n d  c l o c k  fo r   t h e   pa s s i v e   b l o c k  w i l l   b e   b l oc ke d.     A s   a n   e ff e c t   of  t h a t   a pp r o a c h ,   a   b l oc k  o f  l o gi c   i s   n o t   r e qui r e d  fo r   s w i t c h i n g  f o r   m a n y   c y c l e s   t h e n   s ub s t a n t i a l   d y n a m i c   po w e r   i s   p r e s e r v e d  [7] .   M o de r n   F P G A   s y n t h e s i s   t o o l s   l i ke   S y n o ps y s   pr o t o c o m pi l e r   pe r f o r m   t hi s   pr o c e s s   a ut o m a t i c a l l y   w i t h o ut   ha v i ng  t h e   us e r   t o   c h a nge   t h e   R T L   [8] .   H ow e v e r ,   t h e   s y n t h e s y s   t oo l   i s   n o t   a b l e   t o   pe r f o r m   ga t e d  c l o c k   c o n v e r s i o n   fo r   c o m pl e x  ga t i n g  l o gi c   a n d  ga t e d  c l o c k   a r e   de r i v e d  b a s e d  o n   m ul t i pl e   c l o c ks   [9] .  T h e r e f o r e ,   a   m o di f i e d  n e t l i s t   a f t e r   g a t e d  c l o c k  c o n v e r s i o n   w i l l   b e   c o m pa r e d  a ga i n s t   t h e   o r i gi na l   R T L   n e t l i s t   t o   f i n d   t h e   r o o t   c a us e   o f   t h e   t i m i ng  v i o l a t i o n.     2. 4 .     P r e v i o u s   R e s e ar c h   M a n y   r e s e a r c h e s   ha v e   b e e n   de v o t e d  pr e v i o us l y   t o   a dd r e s s   t he   t i m i n g  v i o l a t i o n  p r o b l e m   i n   a n   F P G A   pr o t o t y pi n g  de s i g n.   W o r k  i n  [10]   h a s   b e e n   f oc us e d  o n   t h e   f i n di ng  a n  o pt i m a l   t i m e   b o r r o w i n g  s o l ut i o n   by   fo r m u l a t i n g  t i m e   b o r r o w i n g  p r o b l e m   a s   a   l i n e a r   p r o gra m m i n g  p r o b l e m .   W h i l e   r e s e a r c h   i n   [11]   p r e s e n t i n g  a   d y n a m i c   t i m i n g  c o n t r o l   t e c hni que s   t o   pr e v e n t   t i m i n g  f a i l u r e   by   a ppl y i n g  t i m e   b o r r o w i n g  a n d  e l a s t i c   c l o c k   s t r e t c h i ng  a pp r o a c h e s .   I n   [12] ,   t h e   p r o b l e m   h a s   b e e n   i de n t i f i e d,   w h e r e   a   f r e que n c y   i s   be i n g  c a ppe d  by   t h e   c o n s t ra i n e d  p a t h   b e t w e e n   f l i p - f l o p  s t a ge s   i n   a   di g i t a l   c i r c ui t .   T hi s   i s   due   t o   gua r d - b o n di ng  us e d  by   t h e   de s i gn e r   t o   p r e v e n t   t h e   t i m i ng  v i o l a t i o n .   I n   o r de r   t o   t a c kl e   t hi s   pr o b l e m ,   t w o   s t r a t e gi e s   ha v e   b e e n   p r o po s e d  i n   t h i s   r e s e a r c h   w h i c h   i s   T i m e   B o r r o w i n g  F l i p  F l o p  (T B F F )  w h i c h   i s   a l s o   pr o po s e d  by   [11]   i n   di f f e r e n t   r e s e a r c h   o n   o pt i m i z i n g  t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n  a n d   A l t e rna t i v e   P a t h   A c t i v a t i o n   (A P A ).   I n  [13] ,   t h e   r e s e a r c h e r   ha s   pr o po s e d  h y b r i d  t i m e   b o rr o w i n g  t e c hni que s   by   ut i l i z i n g   a   D F F C  u n i t e dl y   w i t h   dy n a m i c   c l o c k  s t r e t c h i n g   t e c hn i q ue s   w h i c h   i s   t o   o v e r c o m e   t h e   d ra w b a c k  f r o m   t h e   p r e v i o us l y   pr o po s e d  t e c h ni que s   i n  [1 4] .    T h e r e f o r e ,   i n   t hi s   r e s e a r c h ,   t o   r e duc e   t h e   t i m i ng  v i o l a t i o n   i n   F P G A   p r o t o t y p e d  de s i gn ,   a   t i m e   bo rr o w i n g  t e c hn i q ue s   w i l l   b e   us e d.   In   a dd i t i o n,   s i n c e   t h e   ga t e d  c l o c k  c o n ve r s i o n   i s   t h e   m a i n   r o o t   f o r   t h e   e xi s t e n c e   of   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n   i n   o ur   de s i g n ,   t h e n   i t   w i l l   b e   o pt i m i z e d  by   s e t t i n g  a n   a ddi t i o n  l a t c h e s   c r e a t e d  by   t h e   p r o t o c o m pi l e r   t o o l   a s   a   f a l s e   p a t h  t hr o ug h  t h e   de s i g n   c o n s t r a i n t s .       3.   R ES EA R C H   M E H O D O LO G Y     In   t hi s   s e c t i o n ,   a l l   t h e   s t e ps   t a ke n   i n   o r de r   t o   r e duc e   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n   i n   a n   F P G A   p r o t o t y pe d   de s i gn  w i l l   b e   di s c us s e d.   T w o   de s i gn s   ha v e   b e e n   us e d  i n   t h i s   r e s e a r c h  t o   v e r i fy   t h e   p r o po s e d  t e c h n i que s   w h i c h   a r e   de s i gn _ 1  a n d  de s i g n _ 2  w i t h   a   di f f e r e n t   n u m b e r   o f   l o gi c   b l o c ks .   F i gur e   2  s h o w s   t h e   f l ow   c h a rt   of  i m pe l e m e n t a t i o n   s t e p  t o   r e duc e   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n  i n  a   p r o t o t y p e d  de s i gn.   A   s uc c e s s f ul   m a ppe d  de s i g n  f r o m   t h e   p r o t o c o m pi l e r   t o o l   w i l l   b e   e xpo r t e d  t o   t h e   V i v a do   t o o l   f or  pl a c e   a n d   r o ut e   s t a ge .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i     IS S N :   2502 - 4752       T i m i ng   v i ol a t i on   r e d uc t i on   i n  t he   f p ga  pr o t ot y p e d   de s i g n  us i ng  f ai l e d   pat h  f i x e s …   ( Sal a hudd i n  S av ug at ha l i )   631       F i gu r e   2 .   F l o w c h a r t   o f   t h e   i m pl e m e n t a t i o n  s t e p       3 . 1 .     Ti m i n g   A n al ys i s   T i m i n g  i s   a   m a j o r   c o n s i de ra t i o n   i n  t h e   s y n t h e s i s   a n d  p h y s i c a l   i m pl e m e n t a t i o n   o f   s y n c h r o n o us   di gi t a l   c i r c ui t s .   S t a t i c   t i m i n g  a n a l y s i s   i s   a   m e t h o d  o f   v a l i da t i n g  t h e   t i m i n g  pe r f o r m a n c e   of   a   de s i g n   by   c h e c ki ng  a l l   po s s i b l e   pa t h s   f o r   t i m i ng  v i o l a t i o n s   u n de r   w o r s t - c a s e   c on d i t i o n s .   A   X i l i n x  V i v a do   In t e g r a t e d  D e s i gn  E n v i r o n m e n t   ( ID E )  t o o l s   pr o v i de   a   t i m i ng  r e po r t   b a s e d  o n   S t a t i c   T i m i n g  A na l y s i s   (S T A )  t e c h ni que s   i n   t h e   c o m pl e t i o n   o f   pl a c e   a n d   r o ut e   s t a g e   [15] .   A na l y z a t i o n   a n d  d e b uggi n g  t h e   t i m i n g   i s s ue s   c a n   b e   do n e   b a s e d  o n   t h e   t i m i n g  s u m m a r y   r e po r t   ge n e r a t e d  by   t h e   t o o l   s i n c e   e n o ugh   i n f o rm a t i o n   a n d  o v e r v i e w   of   a l l   t i m i n g  c h e c ks   ha v e   be e n   r e po rt e d.   T h e   a r e a s   c o v e r e d  i n   t h e   t i m i ng  s u m m a ry   r e po r t   i s   s e t up  a r e a   (M a x   D e l a y   A n a l y s i s )  a nd  h o l d  a r e a   (M i n   de l a y   A n a l y s i s ).   S e t up  a r e a   o f   t h e   t i m i n g  s u m m a r y   w i l l   b e   r e po r t i n g  t h e   w o r s t   n e ga t i v e   s l a c k  (W N S )  a n d  t o t a l   n e ga t i v e   s l a c k  (T N S )  w h e r e   W N S   r e pr e s e nt   t h e   w o r s t   s l a c k  of   a l l   t h e   t i m i ng  pa t h s   fo r   m a x   de l a y   a n a l y s i s   w h i l e   T N S   r e p r e s e n t   t h e   s um   o f   a l l   W N S   v i o l a t i o n .   F o r   h o l d  a r e a ,   t h e   w o r s t   h o l d  s l a c k  (W H S )   a n d  t o t a l   h o l d   s l a c k  (T H S )  w i l l   b e   r e po r t e d  w h e r e   W H S   r e pr e s e nt   t h e   w o r s t   s l a c k  o f   a l l   t i m i n g   pa t h   f o r   m i n  de l a y   a n a l y s i s   w h i l e   T H S   r e pr e s e nt   t h e   s um   o f   a l l   W H S   v i o l a t i o n .   T h e   n e ga t i v e   v a l ue   of   T N S   a nd  W H S   c o r r e s po n de n t s   t o   a   v i o l a t i o n   e xi s t s   i n   t h e   de s i g n   a nd  po s i t i v e   v a l ue   r e p r e s e n t   a l l   t i m i n g  c o n s t ra i nt   i s   m e t .   F i gu r e   4  r e p r e s e nt s   a n   e xa m pl e   o f   t i m i n g  r e po rt   ge n e ra t e d  by   V i v a do   t oo l   a t   t h e   e nd  o f   t h e   pl a c e   a n d    r o ut e   p r o c e s s .           F i gu r e   3 .   V i o l a t i o n   pa t h  f r o m   t h e   ge n e ra t e d  r e po rt       In  t h e   a b ov e   r e po r t ,   de t a i l e d  i n f o rm a t i o n  a b o ut   t h e   t i m i n g   v i o l a t i o n  c a us e d  by   t h e   t ra n s i t i o n   o f   da t a   f r o m   o n e   pa t h   t o   a n o t h e r   p a t h   c a n  b e   o b t a i n e d.   R e f e r r i ng  t o   F i gu r e   4,   b o x  1  a n d  2,   a   v i o l a t e d  p a t h   ha s   b e e n   r e po rt e d  f r o m   xxx/ D   t o   de s t i n a t i o n   xxx/ D   w i t h   t h e   n e ga t i v e   s l a c k  of   - 0. 62n s .   W hi l e   b o x  3   r e po r t i ng  a   t y pe   o f    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i ,   V o l .   14 ,   N o .   2 ,  M a y   201 9   :     628   –   6 36   632   t h e   n e ga t i v e   s l a c k  w h i c h   i s   h o l d  t y pe .   B a s e d  o n   t h e   i n f o r m a t i o n   o b t a i n e d  f r o m   t h e   t i m i n g  s u m m a r y   r e po r t   a n  o pt i m i z a t i o n  a pp r o a c h e s   w i l l   b e   t a ke n  t o   r e duc e   t h e   t i m i n g   v i o l a t i o n.       3 . 2 .     Ti m e   B o r r o w i n g  T e c h n i q u e   T i m e   bo rr o w i n g  t e c hni que   i s   a n   a pp r o a c h   t o   r e l a xi n g  t h e   t i g h t   t i m i n g  r e qu i r e m e n t   by   a l l o w i n g  a   f a i l e d  pa t h   t o   b o r r o w   t i m e   f r o m   t h e   n e xt   s uc c e s s i v e   pa t h .   B o t h   de s i g n s   us e d  i n  t hi s   r e s e a r c h  i s   a   l a t c h - b a s e d   de s i gn,   t h e r e f o r e   bo rr o w i n g  t i m e   f r o m   o n e   l a t c h   t o   t h e   n e xt   c a n   l o o s e n   t h e   t i m i n g  r e qu i r e m e n t   f o r   a   p a r t i c ul a r  pa t h.   T i m e   b o r r o w i n g  t e c hni que   ha s   b e e n   a ppl i e d  t o   t h e   v i ol a t e d  de s i g n   t hr o ug h   t h e   V i v a do   c o n s t r a i n t s .   B y   r e f e rr i n g   t o   t h e   e xa m pl e   o f   t i m i ng  r e po r t   i n  F i gu r e   4 ,   t i m i n g   v i o l a t i o n   i s   c a us e d  by   t h e   c l k_1x   w i t h   a   pe ri o d  of   1000n s .   T h e r e f o r e ,   a s   V i v a do   t oo l   a l l ow s   t i m e   bo r r o w i n g  t e c hni que   t o   be   a ppl i e d  t hr o ugh   t h e   i nput   c o n s t ra i nt s   du r i n g  p l a c e   a nd  r o ut e   s t a ge ,   t h e   m a xi m u m   v a l ue   fo r   t i m e   b o r r o w i n g  i s   s e t   t o   500n s   w h i c h   i s   ha l f   of   t h e   c l oc k  pe r i o d  of  c l k_1x.   T h e   c i r c ui t   n e e ds   t o  be   r e - e x e c ut e d  a ga i n   t hr o ug h   pl a c e   a n d  r o ut e   s t a ge   o n c e   t h e   i n put   c o n s t ra i nt   i s   up da t e d  i n   o r de r   t o   r e pl i c a t e   t h e   c ha n ge s   i n   t h e   c o n s t ra i nt s   o f   t h e   c i r c ui t .   I n   o r de r   t o   di v e r s i fy   t h e   o b t a i n e d  r e s ul t ,   a   f e w   s e t s   of   e xpe r i m e n t s   ha v e   b e e n   c o n duc t e d  b a s e d  o n   t h e s e   t w o   t y p e s   o f  c i r c ui t ,   de i s g n _ 1  a n d  de s i g n _2  w i t h   di f f e r e n t   de s i g n   f r e que n c y   w h i c h   i s   1M H z   a nd  2M H z .   D i f fe r e nt   de s i g n   f r e que n c y   i s   us e d  t o   c o m pa r e   t h e   e f f e c t i v e n e s s   of   t h e   p r o po s e d  t i m e   b o rr o w i n g  t e c hn i q ue   t h a t   s a t i s f i e s   t h e   t i m i n g   r e qui r e m e nt   i n   a   c i r c u i t .     3. 3 .    F ai l e d   P ath   F i x e s   Te c h n i q u e   B a s e d  o n   t h e   r e s ul t   o b t a i n e d  f o r   t h e   t i m i n g  p a t h   b y   i m pl e m e nt i n g  t h e   t i m e   bo rr o w i n g  t e c hni que ,     a   n e ga t i v e   s l a c k  r e duc t i o n   a v e r a ge   i n   t h e   c i r c ui t   i s   o n l y   a r o un d   30%   w h i c h  do e s   n o t   s a t i s fy   t h e   t i m i n g   r e qui r e m e nt .   A   f ur t h e r   a na l y s i s   h a s   b e e n   do n e   o n   t h e   t i m e   bo r r o w e d  pa t h   a n d  i s   i de n t i f i e d  t o   h a v e   a n   un w a n t e d  l o gi c   gr o up.   T h e r e f o r e ,   a   t i m e   w a s   bo rr o w e d  r e pe a t e dl y   un t i l   t h e   t i m i ng  f o r   a   s i g na l   t o   t r a v e l   i n   a   s pe c i f i c   pa t h   e xc e e ds   c l oc k  p e r i o d.   I n   o r de r   t o   f i n d  t h e   r o o t   c a us e   fo r   t h e   a bo ve   i s s u e ,   a   c o m pa r i s o n   h a s   b e e n   m a de   b e t w e e n   m a ppe d  s c h e m a t i c s   a ga i n s t   t h e   R T L   c o d e .   A   pr o b l e m   ha s   b e e n   n o t i c e d  a s   a f t e r   t h e   s y n t h e s i s   pr o c e s s   t h r o ug h   p r o t o c o m pi l e r   t o o l ,   a   m a s t e r/ s l a v e   l a t c h   s t ruc t ur e   w i t h   a   f e w   X O R s   a r o und  t h e   l a t c h   e xi s t s ,   w h i l e   i n   t h e   o r i gi na l   R T L   de s i gn   o n l y   h a v e   o n e   l a t c h.   I n   t h e   a l t e r e d  n e t l i s t   by   t h e   pr o t o c o m pi l e r   t o o l ,     t h e   m a s t e r   l a t c h  o pe r a t e s   o n   t h e   h i g h  p ha s e   o f   t h e   c l o c k  a n d   s l a v e   l a t c h   o pe ra t e s   o n  t h e   l o w   ph a s e   o f   t h e   c l o c k,   w h i l e   i n  t h e   o ri gi na l   R T L   c o de s ,   a l l   l a t c h e s   o n l y   o p e r a t e   o n   a   l o w   ph a s e   o f   t h e   c l o c k.   A n o t h e r   p r o b l e m   i de nt i f i e d  du ri n g  t h e   a na l y z a t i o n  i s ,   t h e   g a t e d  c l o c k  e n a b l e   s i g n a l   i s   c o nn e c t e d  t o   t h e   e n a b l e   s i g na l   o f   t h e   s l a v e   l a t c h   t hr o ug h   t h e   ga t e d  c l o c k  c o n ve r s i o n   l o gi c .   T h e   c o m pa ri s o n   b e t w e e n   t h e   l a t c h e s   i n  t h e   o r i g i n a l   n e t l i s t   a nd  t h e   m o di f i e d  n e t l i s t   i s   s h o w n   i n    F i gu r e   4  a nd  F i g u r e   5 .   A s   pe r  f o un d  by   [16] ,   a   V i v a do   w i l l   m i m i c   a n   a l w a y s   t r a n s pa r e nt   l a t c h  w h e n e v e r   t h e   c l o c k  i s   ga t e d.   Co n s e que n c e s   o f  t h i s   a c t i o n ,   a s   t h e   c l o c k  i s   e n a b l e d,   o n l y   m a s t e r   l a t c h   w i l l   be   w o r ki n g  w h i l e   t h e   s l a v e   l a t c h  b e c a m e   i rr e l e v a n t   s i n c e   i t   w a s   X O R ’d  t w i c e   o n   t h e   da t a   pa t h .   M e a n w h i l e ,   m a s t e r   a n d  s l a v e   l a t c h e s   a r e   o pe n e d  o n   o ppo s i t e   pha s e   o f   t h e   c l oc k  w h e n   t h e   c l o c k  w a s   di s a b l e d  i n   o r de r   t o   e n s u r e   t ha t   t h e   o ut put   o f   s t r uc t u r e   f o l l o w e d  t h e   i n p ut .           F i gu r e   4 .   O ri gi na l   l a t c h e s   i n  n e t l i s t   [16]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i     IS S N :   2502 - 4752       T i m i ng   v i ol a t i on   r e d uc t i on   i n  t he   f p ga  pr o t ot y p e d   de s i g n  us i ng  f ai l e d   pat h  f i x e s …   ( Sal a hudd i n  S av ug at ha l i )   633       F i gu r e   5 .   L a t c h e s   o n   m o di f i e d  n e t l i s t   a f t e r   G C C [16]       F i gu r e   6   s h o w s   di ff e r e n c e s   o n   s c h e m a t i c   b e f o r e   a nd  a f t e r   g a t e d  c l o c k  c o n v e r s i o n   o n   a   f l i p - f l o p  a nd  l a t c h e s   i n  X i l i n x   V i v a do   i m pl e m e nt a t i o n.   Cl o c k  ga t e   m o dul e   o n   t h e   c l o c k  pa t h   f o r   f l i p - f l o p  c a n  b e   c o n v e r t e d  e i t h e r   t o   da t a   p a t h   o r   t o   e na b l e   pi n   r e ga rdl e s s   o f   t h e   c l o c k  e dge s .   H ow e ve r ,   f o r   l a t c h e s ,   o nl y   h i g h   p h a s e   l a t c h e s   a b l e   t o   be   c o n v e r t e d,   w h i l e   f o r   l ow   ph a s e   l a t c h e s ,   a n  a l w a y s   t r a n s p a r e nt   l a t c h   i s   r e qu i r e d  i f   t h e   c l o c k   i s   ga t e d  t o   b e   a l w a y s   l ow ,   w h i c h  i s   n o t   a b l e   t o   b e   i m pl e m e nt e d  by   X i l i n x  L D C E   i n s t a n c e s .           F i gu r e   6 .   Co m p a r i s o n  b e t w e e n   R T L   c o de s   a n d   G CC   c o n v e r t e d  s c h e m a t i c s       F i gu r e   7  r e pr e s e nt   a   c o n v e r s i o n   s c h e m a t i c   w h e r e   t h e   p ro t oc o m pi l e r   i m pl e m e nt s   t w o   di ffe r e nt   s t ruc t u r e s   fo r   t hi s   a l w a y s   t r a n s p a r e nt   b e h a v i o r   w hi c h   i s   m a s t e r / s l a v e   l a t c h   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   5  a nd  m ul t i p l e xe r   ( m ux)  a t   t h e   o ut put   o f   t h e   o r i gi na l   l a t c h   c o nt r o l l e d  by   t h e   c l o c k  ga t e   e n a b l e   s i g n a l .   T h e r e fo r e ,   f r o m   a   s t a t i c   t i m i n g  pe r s pe c t i v e ,   bo t h   o f   t h e s e   i m pl e m e n t a t i o n s   c r e a t e   pa t h s   b e t w e e n   t h e   l a t c h e s   o n   t h e   s a m e   c l o c k  ph a s e   w hi c h  i s   c a us i n g   a   t i m i n g   p r o b l e m   i n  a   de s i g n.           F i gu r e   7 .   T i m i n g   p a t h  t hr o ug h  3   l a t c h e s       B a s e d  o n   t h e   a na l y s i s   m a de ,   a l l   t h e   t i m i ng  p a t h   w e r e   c r e a t e d  by   a   l ow   c l o c k  ph a s e   l a t c h e s   o n   a   c l o c k   n e t w o r k  w h i c h   i s   w h e n   g a t e d,   w o ul d  s t a y   h i g h.   T h e r e f o r e ,   a l l   p a t h   t hr o ug h   t ra n s pa r e nt   l a t c h   w e r e   i de nt i f i e d  w h i l e   t h e   c l o c k  i s   ga t e d  a n d  m a r ke d  a s   a   f a l s e   pa t h   s i n c e   s l a v e   l a t c h   i n  a   m a s t e r/ s l a v e   s t ruc t u r e   w a s   o n l y   us e d   w h e n   t h e   c l o c k  i s   g a t e d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i ,   V o l .   14 ,   N o .   2 ,  M a y   201 9   :     628   –   6 36   634   F i gu r e   8  s h o w s   t h e   V i v a do   c o n s t r a i n t   t h a t   h a s   b e e n   a dde d  t o   c l o c k  pa t h   c l k_1  t o   s o l ve   pa t h   t hr o ug h   t h e   t ra n s pa r e nt   l a t c h  w h i c h  w i l l   r e duc e   t h e   n e ga t i v e   s l a c k  a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .           F i gu r e   8 .   a ddi t i o n a l   V i v a do   c o n s t ra i nt       T h e s e   t e c hn i q ue s   w i l l   b e   a ppl i e d  o n  b o t h   de s i g n _ 1  a n d  de s i gn _ 2  r e s pe c t i v e l y ,   w h e r e   a   c o n s t ra i nt   f i l e   w i l l   b e   pr e pa r e d  a c c o r di n g  t o   t h e   c l o c k  t ha t   c a us i ng  t h e   t i m i n g  i s s ue s   i n   e a c h   o f   t h e   de s i gn .   T h e   e nt i r e   c l o c k   i n   t h e   s a m e   p h a s e   w i l l   b e   i de n t i f i e d  a n d  m a r ke d  a s   a   f a l s e   pa t h   a s   s h o w n   i n   t h e   f i r s t   a n d  l a s t   t w o   l i n e s   r e s pe c t i v e l y   i n    F i gu r e   8  t he   r e s ul t   o b t a i n e d  a f t e r   i m p l e m e n t a t i o n   o f   T i m e   B o r r o w i n g  a n d  F a i l e d  P a t h  F i xe s   t e c hn i q ue s   i n   t h e   de s i gn   w i l l   b e   c o m pa r e d  t o   a n   o r i g i na l   t i m i ng  v i o l a t i o n   w i t h o ut   i m pl e m e nt i n g  a n y   t e c hn i q ue s   t o   m e a s u r e   t h e   pe r c e nt a ge   o f   t h e   i m p r o v e m e n t   o f   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n.       4.   R ES U LT   In   t hi s   r e s e a r c h,   t h e   p r o po s e d  T i m e   Bo r r o w i n g  t e c hni que s   a r e   i m pl e m e nt e d  i n   t h e   s y n t h e s i s   l e v e l   us i n g  t h e   t o o l   w i t h o ut   a n y   m o di f i c a t i o n   i n   t h e   R T L   l e v e l   of   t h e   S o C  de s i gn .   I n   t h e   m e a n t i m e ,   f a i l e d  pa t h   i n  t h e   l a t c h e s   a r e   a l s o   f i xe d  t o  r e duc e   t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n   o f   t he   de s i gn .   W h i l e   a l l   t h e   pr o po s e d  t e c h n i que s   a n d  t h e   i m p l e m e n t a t i o n   p a r a m e t e r s   w e r e   c o ve r e d  i n   t h e   p r e v i o us   s e c t i o n ,   t hi s   s e c t i o n   p r e s e nt s   t h e   a n a l y s i s   a nd  di s c us s i o n   of   n um e r i c a l   r e s ul t s   ga i n e d  f r o m   t h e   i m p l e m e nt a t i o n   o f  t h e   pr o po s e d  t e c h n i q ue s .   E a c h   de s i g n   w i l l   b e   r u n   w i t h   di f f e r e n t   F P G A   c l o c k   f r e que n c y   t h a t   a r e   1  M H z   a n d  2M H z .   T h e s e   t w o  f r e que n c y   f a l l   i n   t h e   ra n ge   of   a   w o r ka b l e   f r e que n c y   f o r   F P G A   pr o t o t y p e d  de s i gn .   I n   a ddi t i o n,   t h e   pe r c e n t a ge   of   t h e   T o t a l   R e duc t i o n   (T R )  i s   de f i n e d  a s   i n   t h e   (1),   w h e r e   P r e v i o us   S l a c k  (P S )  a n d  N e w   S l a c k  (N S )  r e pr e s e n t   a   s l a c k  b e fo r e   a n d   a f t e r   t h e   i m p l e m e nt a t i o n  o f   t h e   a p p r o a c h e d  t e c hn i que s   r e s pe c t i v e l y .          (   )                          (1)     4 . 1 .     Ti m i n g   V i o l ati o n   R e s u l t   T h e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   p r o po s e d  t e c h ni que s   t o   r e duc e   t h e   t i m i n g   v i o l a t i o n   o f   a n  F P G A   p r o t o t y pe d   m o de l   w i l l   be   m e a s ur e d  e m pi r i c a l l y   a n d  c o m pa r e d  i n   t h e   pe r c e n t a ge   of   i m p r o ve m e n t   a c hi e v e d  w i t h   t h e   de s i gn  w i t h o ut   a n y   i m pl e m e n t a t i o n  o f   t h e   t e c hn i que s .     T a b l e   1  r e p r e s e n t s   a   v i o l a t i o n   i n   a   de s i g n   b e fo r e   a n d  a f t e r   i m pl e m e n t a t i o n   o f  t h e   pr o po s e d   t e c hn i q ue s   w h i c h  i s   us i n g  T i m e   B o r r o w i n g  a n d   F a i l e d  P a t h   F i xe s   i n   a   l a t c h  i n  a   de s i g n_1  w i t h   a n   F P G A   c l o c k  f r e que n c y   o f   1M H z .   W hi l e   T a b l e   2   r e p r e s e nt s   a   r e s ul t   o b t a i n e d  f o r   t h e   s a m e   e xpe r i m e nt   o n   de s i g n _ 1  w i t h   a   di f f e r e n t   c l o c k  f r e que n c y   w h i c h   i s   2M H z .   T a b l e   3  a n d  T a b l e   4  r e pr e s e n t s   a   r e s ul t   o b t a i n e d  fo r   t h e   e xpe r i m e nt   e xe c ut e d  o n  t h e   de s i g n _2   w i t h  a   c l o c k  f r e que n c y   of   1  M h z   a nd  2   M H z   r e s pe c t i v e l y .     T h e   ob t a i n e d  r e s ul t   i s   e xt ra c t e d  f r o m   t h e   t i m i n g  s um m a r y   re po r t   w h i c h   i s   ge n e r a t e d  by   t h e   V i v a do  t o o l   a t   t h e   e n d  o f   t h e   pl a c e   a n d  r o ut e   s t a ge   b a s e d  o n   S T A   t e c hni que s .   A s   pe r   m e n t i o n e d  b e f o r e ,   w i t h   t h e   S T A   t e c hn i q ue s   a l l   pa t h   i n c l ud i n g  t h e   f a l s e   pa t h  w i l l   b e   c ov e r e d  i n   t h e   r e po r t .   T h e r e fo r e ,   f a i l e d  pa t h   i n  l a t c h e s   a b l e   t o   b e   de t e c t e d  a n d   f i xe d  a nd  r e s ul t i n g   i n  a   huge   r e duc t i o n  i n  n e ga t i v e   s l a c k.         T a b l e   1 .   T i m i n g   V i o l a t i o n   f o r   A   D e s i gn_1   w i t h   A   Cl o c k  F r e que n c y   o f   1m hz   P a ra m e t e r   T i m i n g   V i o l a t i o n   T o t a l   R e d u c t i o n   (% )   P re v i o u s   S l a c k   (n s )   N e w   S l a c k   (n s )   W N S   - 1 1 . 3 3   - 0 . 3 1   9 7 . 2 6 %   T N S   - 1 8 4 3 2 9 . 8 8   - 1 . 7 2   9 9 . 9 9 %   W H S   - 1 1 . 7 0   - 8 . 2 5   2 9 . 4 9 %   T H S   - 1 3 9 2 8 6 . 3 8   - 7 2 4 9 . 8 0   9 4 . 8 0 %   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i     IS S N :   2502 - 4752       T i m i ng   v i ol a t i on   r e d uc t i on   i n  t he   f p ga  pr o t ot y p e d   de s i g n  us i ng  f ai l e d   pat h  f i x e s …   ( Sal a hudd i n  S av ug at ha l i )   635   T a b l e   2 .  T i m i n g   V i o l a t i o n   f o r   A   D e s i gn_1   w i t h   A   Cl o c k  F r e que n c y   o f   2m hz   P a ra m e t e r   T i m i n g   V i o l a t i o n   T o t a l   R e d u c t i o n   (% )   P re v i o u s   S l a c k   (n s )   N e w   S l a c k   (n s )   W N S   - 2 4 . 7 6   - 0 . 2 9   9 9 . 9 7 %   T N S   - 4 2 8 2 4 8 . 5 3   - 0 . 9 0   9 9 . 9 9 %   W H S   - 1 1 . 7 0   - 8 . 3 4   2 8 . 7 2 %   T H S   - 1 3 9 2 8 7 . 9 1   - 7 2 2 4 . 6 7   9 4 . 8 1 %       T a b l e   3 .  T i m i n g   V i o l a t i o n   f o r   A   D e s i gn_2   w i t h   A   Cl o c k  F r e que n c y   o f   1m hz   P a ra m e t e r   T i m i n g   V i o l a t i o n   T o t a l   R e d u c t i o n   (% )   P re v i o u s   S l a c k   (n s )   N e w   S l a c k   (n s )   W N S   - 9 . 8 1   0 . 0 0   1 0 0 . 0 0 %   T N S   - 9 1 0 0 2 9 . 9 4   0 . 0 0   1 0 0 . 0 0 %   W H S   - 4 . 1 9   0 . 0 2   1 0 0 . 4 8 %   T H S   - 1 6 . 2 6   0 . 0 0   1 0 0 . 0 0 %       T a b l e   4 .  T i m i n g   V i o l a t i o n   f o r   A   D e s i gn_2   w i t h   A   Cl o c k  F r e que n c y   o f   2m hz   P a ra m e t e r   T i m i n g   V i o l a t i o n   T o t a l   R e d u c t i o n   ( % )   P re v i o u s   S l a c k   (n s )   N e w   S l a c k   (n s )   W N S   - 1 2 . 5 0   - 0 . 0 2 7   9 9 . 7 8 %   T N S   - 9 1 5 6 1 4 . 8 1   - 0 . 0 2 7   9 9 . 9 9 %   W H S   - 1 3 . 7 2   - 0 . 2 9   9 7 . 8 9 %   T H S   - 1 6 1 1 . 7 8   - 6 6 . 7 3   9 5 . 8 5 %       4. 2 .     S u mm ar y  fo r   C l o c k   F r e q u e n c y   A   c o m pa ri s o n   h a s   b e e n   m a de   b e t w e e n   t w o   c l oc k  f r e que nc i e s   w i t hi n   a   w o r ka b l e   r a nge   fo r   e a c h  F P G A   pr o t o t y pe d   de s i gn   b e fo r e   i m pl e m e nt a t i o n   o f   t h e   pr o po s e d  t e c hn i q ue s   t o   i de n t i fy   t h e   i m p a c t   of  i n c r e a s i ng  a   c l o c k  f r e que n c y   t o   t h e   t i m i n g   v i o l a t i o n .   R e fe r ri n g  t o   T a b l e   1   a n d   T a b l e   2 ,   t h e   e a r l y   r e a di n g   s h o w s   t h a t   t i m i n g  v i o l a t i o n   ri s e s   di r e c t l y   pr o po r t i o na l   t o   a n   F P G A   c l o c k  f r e que n c y .   T o   e n s u r e   t h i s   c o n di t i o n,   t h e   s a m e   pa r a m e t e r   i s   t e s t e d  o n   a   di f f e r e n t   de s i g n   n a m e d  a s   de s i gn _ 2  w h i c h   c a n   b e   r e fe rr e d  f r o m   t h e   T a b l e   3  a n d   T a b l e   4 .   A s   t h e   t i m i ng  v i o l a t i o n   i n   a   de s i g n   i n c r e a s e s   di re c t l y   pr o po r t i o na l   t o   t h e   F P G A   c l o c k  f r e que n c y ,   t h e n   a   c o n c l us i o n   h a s   b e e n   m a de   f r o m   t h i s   e xpe r i m e nt   t ha t   a s   t h e   s pe e d  of   t h e   de s i g n   i s   i n c r e a s e d  t h e   t i m i n g   r e qui r e m e nt   b e c o m e   t i g h t e r   t o   b e   m e t   by   l a t c h e s   i n  a   de s i g n.     4. 3 .     S u mm ar y  o n   th e   R e s u l t  fo r   th e   P r o p o s e d   Te c h n i q u e s   S i n c e   t h e   v i o l a t i o n   i n   t h e   de s i g n   i s   i n c r e a s e s   due   t o   t h e   ri s e s   i n   c l o c k  f r e que n c y ,   t h e   p r o po s e d   t e c hn i q ue s   h a v e   b e e n   a pp l i e d  w h i c h   i s   T i m e   B o r r o w i n g  t hr o ug h   a   c o n s t ra i nt   by   a t   l e a s t   h a l f   of   t h e   c l oc k   pe r i o d  a n d  f i xe s   i n   t h e   f a i l e d  pa t h   o f   l a t c h e s   fo r   b o t h   s pe e ds   of   a   de s i gn   f o r   e a c h   de s i gn,   de s i g n _1 ,     a n d  de s i g n _2 .   B a s e d  o n   t h e   r e s ul t   r e c o r de d  fo r   a   de s i gn _ 1  i n  T a b l e   1   a n d   T a b l e   2 ,   a v e r a ge   m o r e   t h a n   90 %  of  t h e   n e ga t i v e   s l a c k  h a s   b e e n   e l i m i na t e d  f o r   t h e   s e t up  s l a c k,   w o r s t   n e ga t i v e   s l a c k  (W N S )  a n d  t o t a l   n e g a t i v e   s l a c k  (T N S ) .   H ow e ve r ,   c h a l l e n ge s   h a v e   b e e n   i de n t i f i e d  i n   r e duc i ng  a   h o l d  s l a c k ,   W o r s t   H o l d  S l a c k  (W H S )  a s   o n l y   a n   a v e ra ge   o f   29%  i s   r e duc e d,   b ut   f o r   T o t a l   H o l d  S l a c k  (T H S ) ,   m o r e   t h a n  90%  o f   n e ga t i v e   s l a c k  i s   r e duc e d.   T h e r e f o r e ,   t o   e n s ur e   t h e   e ff e c t i v e n e s s   of   t h e s e   t e c hn i q ue s ,   a n o t h e r   e xpe r i m e nt   h a s   b e e n   do n e   o n   di f fe r e nt   de s i g n ,   na m e d  de s i gn_2  us i ng  t h e   s a m e   t e c hn i que s .   T a b l e   3  a n d   T a b l e   4   r e p r e s e n t   a   r e s ul t   o b t a i n e d  fo r   de s i g n _2  w i t h   a   c l o c k  f r e que n c y   of   1M H z   a n d  2  M H z   re s pe c t i v e l y .   D e s i gn _2  w i t h   a   c l o c k  f r e que n c y   of  1M H z   a c h i e v e   a n   a v e r a ge   100%  o f  t h e   t i m i n g  v i o l a t i o n   e l i m i na t i o n .   W h i l e   fo r   a   de s i gn _ 2  w i t h   2  M H z ,   r e duc t i o n   i n   a   t i m i ng  v i o l a t i o n  a l s o   i s   s a t i s f i e d  a s   a c h i e v i n g  m o r e   t ha n  90%   a v e r a ge .       5.   C O N C LU S I O N   In   t h i s   pa pe r,   T i m e   B o rr o w i n g  t e c hni que   t o ge t h e r  w i t h  o ur  pr o po s e d  t e c h ni que ,   F a i l e d  P a t h  F i xe s   ha s   b e e n   a ppl i e d  t o   r e duc e   t h e   t i m i n g  v i o a l t i o n   i n   t h e   F P G A   pr o t o t y p e d  de s i gn .   T w o   F P G A   pr o t o t y pe d   de s i gn   w i t h   d i f fe r e nt   n um b e r   o f   l o gi c   b l oc ks   h a v e   b e e n   us e d.   A   f a i l e d  pa t h   i n   t h e   l a t c h e s   h a s   b e e n   f i xe d  b y   s e t t i n g  i t   a s   a   f a l s e   pa t h   t hr o ug h   t h e   V i v a do   c o n s t ra i nt .   B o t h   t e c hn i que s   a pp l i e d  i n   t hi s   pa pe r   i m p r o v e s   t h e   t o t a l   r e duc t i o n  o f   t h e   n e g a t i v e   s l a c k  a v e ra gi ng  m o r e   t h a n  90 %.   T hi s   i s   a n  a c c e pt a b l e   ra n ge   i n  t h e   i ndus t ri e s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2502 - 4752   In do n e s i a n  J   E l e c   E ng  &   Co m p  S c i ,   V o l .   14 ,   N o .   2 ,  M a y   201 9   :     628   –   6 36   636   R EF ER EN C ES   [ 1]   X .   L i ,   L .   H o u,   S .   G e ng ,   J .   W a ng ,   a nd  H .   Z h a ng ,   “ T he   F P G A   pr o t o t y pi ng   i m pl e m e nt a t i o n  o f   L E O N 3  S o C , ”   P r oc .   2012   I n t .   C o nf .   I n d.   C on t r ol   E l e c t r o n.   E n g.   I C I C E E   201 2 ,   pp .   164 3 – 1646 ,   201 2.   [ 2]   Y .   A ba r ba n e l ,   E .   S i ng e r m a n ,   a nd  M .   Y .   V a r di ,   “ V a l i da t i o n  o f   S oC   F i r m w a r e - H a r dw a r e   F l o w s , ”   P r oc .   5 1s t   A nnu .   D e s .   A u t om .   C onf .   D e s .   A u t om .   C on f .   -   D A C   ’ 14 ,   pp.   1 – 4,   2 014 .   [ 3]   B .   L i ,   N .   C he n,   a n d  U .   S c hl i c ht m a nn ,   “ S t a t i s t i c a l   t i m i ng   a na l y s i s   f o r   l a t c h - c o nt r o l l e d   c i r c u i t s   w i t h   r e duc e d   i t e r a t i o ns   a n d  g r a ph   t r a n s f o r m a t i o ns , ”   I E E E   T r a ns .   C om p ut .   D e s .   I nt e gr .   C i r c u i t s   S y s t . ,   v o l .   3 1,   no .   11 ,   pp.   167 0 – 1683 ,   2012 .   [ 4]   V .   B h a r g a v a ,   G .   K a po o r ,   S .   S .   I qba l ,   a n d  F .   S .   J une ,   “ E n ha nc e d   t i m i ng   c l o s ur e   u s i ng   l a t c he s , ”   no .   F i g u re   1 ,   20 14 .   [ 5]   S .   X .   S hi ,   A .   R a m a l i ng a m ,   D .   W a ng ,   a nd  D .   Z .   P a n ,   “ L a t c h  m o de l i ng   f o r   s t a t i s t i c a l   t i m i ng   a na l y s i s , ”   P r oc .   - D e s i g n,   A ut om .   T e s t   E ur .   D A T E ,   v o l .   2,   pp .   113 6 – 11 41 ,   2 008 .   [ 6]   N .   S r i n i v a s a n,   N .   S .   P r a k a s h ,   S ha l a kh a   D . ,   S i v a r a n j a n i   D . ,   S .   S r i   L a ks hm i   G . ,   a nd   B .   B .   T .   S un da r i ,   “ P o w e r   R e duc t i o n   by   C l o c k  G a t i ng   T e c hni q ue , ”   P r oc e di a   T e c hno l . ,   v o l .   21 ,   pp.   6 31 – 6 35,   2 015 .   [ 7]   D .   A m o s ,   “ C l o c k  g a t i ng , ”   i n  F P G A - B as e d  P r ot ot y pi ng  M e t h odo l o gy   M a nua l ,   D .   A m o s ,   E d.   S y no ps y s ,   I n c . ,   2011 ,   pp.   16 5 – 17 9.   [ 8]     “ H A P S   P r o t o C o m pi l e r   U s e r   G ui d e , ”   no .   S e pt e m be r .   S y no ps y s ,   I nc . ,   20 16 .   [ 9]   D .   A m o s ,   “ A ut o m a t i c   g a t e d - c l oc k  c o n v e r s i o n, ”   i n  F P G A - B as e d  P r ot o t y p i ng  M e t hod ol ogy   M anu al ,   S y n o ps y s ,   I nc . ,   2011 ,   pp.   1 65 – 1 79.   [ 10]   S. - Z .   E .   L i n ,   C .   C ha ng f a n,   Y . - C .   H s u ,   a n d  F . - S .   T s a i ,   “ O pt i m a l   t i m e   bo r r o w i ng   a na l y s i s   a nd  t i m i ng   budg e t i ng   o pt i m i z a t i o n  f o r   l a t c h - ba s e d   d e s i g ns , ”   A C M   T r a ns .   D e s .   A ut om .   E l e c t r on.   S y s t . ,   v o l .   7 ,   no .   1 ,   pp .   217 – 230 ,   2002 .   [ 11]   K .   C ha e ,   C .   H .   L e e ,   a nd  S .   M ukho pa d hy a y ,   “ T i m i ng   e r r o r   p r e v e nt i o n  us i ng   e l a s t i c   c l o c ki ng , ”   2011  I E E E   I n t .   C on f .   I nt e gr .   C i r c u i t   D e s .   T e c hn ol .   I C I C D T   2 011 ,   pp .   9 – 12 ,   2011 .   [ 12]   A .   S i l v a   a nd  F .   S i l l ,   “ M i t i g a t i o n  o f   A g i ng   E f f e c t s   T hr o ug h  S e l e c t i v e   T i m e - bo r r o w i ng   a nd  A l t e r n a t i v e   P a t h   A c t i v a t i o n, ”   A C M / I E E E   P r o f   S B C C I ,   pp.   2 10 – 2 16,   2 017 .   [ 13]   M .   A hm a di ,   B .   A l i z a d e h,   a nd  B .   F o r o uz a nde h,   “ A   H y br i d  T i m e   B o r r o w i ng   T e c hni q ue   t o   I m pr ov e   t he   P e r f o r m a nc e   o f   D i g i t a l   C i r c ui t s   i n  t h e   P r e s e nc e   o f   V a r i a t i o ns , ”   I E E E   T r an s .   C i r c u i t s   Sy s t .   I   R e gul .   P ap. ,   v o l .   64 ,   no .   1,     pp.   10 0 – 11 0,   20 17.   [ 14]   M .   A hm a d i ,   B .   A l i z a d e h,   a nd   B .   F o r o uz a nde h,   “ A   T i m i ng   E r r o r   M i t i g a t i o n  T e c hni que   f o r   H i g h  P e r f o r m a nc e   D e s i g ns , ”   20 15  I E E E   C om p ut .   Soc .   A nnu .   Sy m p .   V L S I ,   pp .   428 – 433 ,   2015 .   [ 15]   V i v a do U G 1,   “ V i v a do   D e s i g n  S u i t e   U s e r   G ui d e :   S y s t e m - L e v e l   D e s i g n  E nt r y , ”   v o l .   90 1,   pp .   1 – 1 20,   2 013 .   [ 16]   J .   Z ha ng   a nd   I .   M .   N a do n,   “ L a t c h - ba s e d   C P U   P r o t o t y pi ng   w i t h   H A P S   P l a t f o r m , ”   pp.   1 – 10 ,   2016 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.