基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法与系统。其中方法包括使用恒定、线性、二次、相邻四种预测模型，分别对信号段进行预测，记录每个时间点最准确的模型，选取预测结果中与仿真波形信号最接近的值作为选定预测值，基于所述选定预测值的残差来判断是否采纳所述选定预测值，在不采纳所述选定预测值的情况下，对所述仿真波形信号值进行区分，并分别使用不同的方法进行压缩。本发明专利技术公开的方法将无法被预测的“大值”，转化为对预测的残差进行均匀量化编码，从而在提高预测成功率的同时，大大减少了预测失败后“大值”编码的长度，且对于整体压缩时间没有明显影响。且对于整体压缩时间没有明显影响。且对于整体压缩时间没有明显影响。

【技术实现步骤摘要】
基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法与系统


[0001]本专利技术一般地涉及数据压缩
更具体地，本专利技术涉及一种基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法与系统。

技术介绍

[0002]在集成电路设计过程中，为了保证最终生产出集成电路芯片的可靠性，需要对设计的电路进行瞬态电路仿真。电路仿真的输出称为仿真波形，由一系列离散的仿真时间点和电路中各个节点的电压、电流等物理量在这些时间点的值组成，它被存储为硬盘文件的形式。这些时间和信号值一般会以双精度浮点数的形式储存。在仿真结束后，工程师会用波形查看器读取仿真波形，从而查看电路中重要节点的物理信号值随时间的变化情况，以验证电路是否满足设计要求。由于电路仿真本身存在误差，仿真波形中的信号值在储存时会允许较小范围的误差，通常要求每个信号值的绝对误差和相对误差都要满足一定的要求，即绝对误差不超过ε
abs
,同时相对误差不超过ε
rel
。假设仿真波形中的某个信号值为v,将它存储于硬盘文件的值为v
’
，绝对误差就是|v
′‑
v|，相对误差是
[0003]随着集成电路的发展，电路节点的数量和仿真时间点的数量大大增加，导致仿真容量巨大。如果直接以标准的双精度浮点数格式储存仿真波形，则波形文件需要占用大量硬盘空间，且电路仿真软件向硬盘输出波形文件以及波形查看器软件读取波形文件的效率会非常低下。在2021年发表于IEEE Transactions on Computer
‑
Aided Design of Integrated Circuits and Systems的文献“Efficient and Accuracy
‑
Ensured Waveform Compression for Transient Circuit Simulation”中，作者提出了一种基于预测和大小值编码的、可以保证误差满足指定要求的有损波形压缩方法。该方法将仿真时间轴划分成一系列小的时间段，对于每个时间段中每个信号对应的一段信号值分别进行编码，然后对编码了的数据流进行无损压缩再写入硬盘文件，得到压缩了的仿真波形文件。对每一段信号值，首先应用类似在2013年发表在复旦大学学报上的文献“一种高效的模拟波形数据压缩方法”提出的线性预测算法，筛选出可以被预测的值(“预测成功”)。对于不可被预测的值(“预测失败”)，按照由设定的误差要求决定的阈值τ＝ε
abs
/ε
rel
，分类为“小值”和“大值”，并分别用不同的方式编码。对于小于τ的“小值”，只需考虑相对误差的要求，则可由设定的相对误差限决定的参数编码为一种类似标准浮点数格式的格式；对于大于等于τ的“大值”，只需考虑绝对误差的要求，在相邻信号值作差后依照由设定的绝对误差限决定的参数进行均匀量化，转化为整数后编码为一种变长的整数格式。
[0004]然而，上述方法在绝对误差限ε
abs
设置得很小时，对于无法被预测的“大值”，量化后的得到的整数很大，导致编码长度很长，占用较多存储空间。

技术实现思路

[0005]为了至少解决上述
技术介绍
部分所描述的技术问题，本专利技术提出一种基于协作预
测的电路瞬态仿真波形压缩方法与系统。本专利技术公开的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法在提高预测成功率的同时，大大减少了预测失败后“大值”编码的长度，且对于整体压缩时间没有明显影响。鉴于此，本专利技术在如下的多个方面提供解决方案。
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，包括：初始化步骤，初始化待压缩比特串BitData为空；写入步骤，获取一个仿真波形信号在多个时间点的信号值，对每个时间点的信号值分别利用协作预测方法进行处理，根据处理结果按照不同的预设规则将所述多个时间点的仿真波形信号值转换成比特串，将所有时间点的信号值依次转换并写入所述待压缩比特串BitData；所述协作预测方法包括利用与时间相关的多种变化规律对当前时间点的信号值进行预测；压缩步骤，使用DEFLATE算法对所述待压缩比特串BitData进行压缩。
[0007]在一个实施例中，所述利用协作预测方法进行处理包括；通过公式p
00
＝v
i,j
‑1计算所述恒定预测值；通过公式所述恒定预测值；通过公式计算所述线性预测值；通过公式过公式计算所述二次预测值；通过公式计算所述临近预测值；从计算出的预测值中取与v
i,j
最接近的值，设它为计算残差其中，p
00
表示恒定预测值，p
01
表示线性预测值，p
10
表示二次预测值，p
11
表示临近预测值，v
ij
代表第i个信号在第j个时间点的值，t
j
表示第j个时刻的时间值，b0b1表示各预测值的下标，r表示残差。
[0008]在一个实施例中，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述多个时间点的仿真波形信号值转换成比特串，包括；当所述残差满足误差范围要求|R|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
时，向待压缩比特串BitData中依次存入1、b0、b1；其中，通过比特值1来表示使用了预测技术，通过预测值的下标b0b1来表示使用的预测方法，残差来表示使用的预测方法，残差表示用户设定的绝对误差限，ε
rel
表示用户设定的相对误差限。
[0009]在一个实施例中，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述多个时间点的仿真波形信号值转换成比特串，包括；当所述残差不满足误差范围要求，且|v
i,j
|<τ时：向待压缩比特串BitData里存入0；以变长的浮点数格式编码v
i,j
的近似值同时使不超过ε
rel
，将该编码追加存入到待压缩比特串BitData中；其中，所述误差范围要求为|r|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
，ε
abs
表示用户设定的绝对误差限，ε
rel
表示用户设定的相对误差限，残差阈值τ＝ε
abs
/ε
rel
，通过比特值0来表示没有使用预测技术。
[0010]在一个实施例中，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述多个时间点的仿真波形信号值转换成比特串，包括；当所述残差不满足误差范围要求，且|v
i,j
|≥τ时：向待压缩比特串BitData中依次存入0,b0,b1；以均匀量化成为整数表示的方法来编码的近似值同时使不超过ε
abs
，然后对上述编码追加存入到BitData中；其中，所述误差范围要求为|r|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，包括：初始化步骤，初始化待压缩比特串BitData为空；写入步骤，获取一个仿真波形信号在多个时间点的信号值；对每个时间点的信号值分别利用协作预测方法进行处理，根据处理结果按照不同的预设规则将所述信号值转换成比特串；将一个仿真波形信号在所有时间点的信号值依次转换并写入所述待压缩比特串BitData；所述协作预测方法用于利用与时间相关的多种变化规律对当前时间点的信号值进行预测；压缩步骤，使用DEFLATE算法对所述待压缩比特串BitData进行压缩。2.根据权利要求1所述的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，所述利用协作预测方法进行处理包括；通过公式p
00
＝v
i,j
‑1计算所述恒定预测值；通过公式计算所述线性预测值；通过公式计算所述二次预测值；通过公式计算所述临近预测值；从计算出的预测值中取与v
i,h
最接近的值，设它为计算残差其中，p
00
表示恒定预测值，p
01
表示线性预测值，p
10
表示二次预测值，p
11
表示临近预测值，v
ij
代表第i个信号在第j个时间点的值，t
j
表示第j个时刻的时间值，b0b1表示各预测值的下标，r表示残差。3.根据权利要求2所述的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述信号值转换成比特串，包括；当所述残差满足误差范围要求|r|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
时，向待压缩比特串BitData中依次存入1、b0、b1；其中，通过比特值1来表示使用了预测技术，通过预测值的下标b0b1来表示使用的预测方法，ε
abs
表示用户设定的绝对误差限，ε
rel
表示用户设定的相对误差限。4.根据权利要求2所述的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述信号值转换成比特串，包括；当所述残差不满足误差范围要求，且|v
i,j
|<τ时：向待压缩比特串BitData里存入0；以变长的浮点数格式编码v
i,j
的近似值同时使同时使不超过ε
rel
，将该编码追加存入到待压缩比特串BitData中；其中，所述误差范围要求为|r|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
，ε
abs
表示用户设定的绝对误差
限，ε
rel
表示用户设定的相对误差限，阈值τ＝ε
abs
/ε
rel
，通过比特值0来表示没有使用预测技术。5.根据权利要求2所述的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，所述根据处理结果按照不同的预设规则将所述信号值转换成比特串，包括；当所述残差不满足误差范围要求，且|v
i,j
|≥τ时：向待压缩比特串BitData中依次存入0,b0,b1；以均匀量化成为整数表示的方法来编码的近似值的近似值同时使不超过ε
abs
，然后对上述编码追加存入到BitData中；其中，所述误差范围要求为|r|≤ε
abs
且|r/v
i,j
|≤ε
rel
，ε
abs
表示用户设定的绝对误差限，ε
rel
表示用户设定的相对误差限，阈值τ＝ε
abs
/ε
rel
，通过比特值0来表示没有使用预测技术。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的基于协作预测的电路瞬态仿真波形压缩方法，其特征在于，还包括；初始化压缩文件为空，并向其中写入仿真波形信号数目，时间点数目及时间点数值；在完成一个仿真波形信号在多个时间点的信号值压缩后，依次对全部仿真波形信号在多个时间点的信号值执行压缩并将压缩后的结果写...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻文健，李凌劼，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：