FPGA實戰(zhàn)開發(fā)技巧（8）

5.4 大規(guī)模設(shè)計帶來的綜合和布線問題

FPGA 設(shè)計的時序性能是由物理器件、用戶代碼設(shè)計以及EDA 軟件共同決定的，忽略了任何一方面的因素，都會對時序性能有很大的影響。本節(jié)主要給出大規(guī)模設(shè)計中，賽靈思物理器件和EDA 軟件的最優(yōu)使用方案。

1)IO 約束技巧

優(yōu)秀設(shè)計必須要考慮IO 約束的技巧。對于賽靈思器件來講，進位鏈是垂直分布的、邏輯排列塊之間也有水平方向上三態(tài)緩沖線的直接連接、且硬核單元基本都是按列分布( 在水平方向就具備最短路徑)，因此最優(yōu)的方案為：將用于控制信號的I/O 置于器件的頂部或底部，且垂直布置；數(shù)據(jù)總線的I/O 置于器件的左部和右部，且水平布置，如圖5-16 所示。

圖5-16 賽靈思器件的最佳IO布局示意圖

這種IO 分配方式充分利用了Xilinx FPGA 芯片架構(gòu)的特點，如進位鏈排列方式以及塊RAM、硬核乘法器位置。進位鏈的結(jié)構(gòu)如圖5-17 所示。能解決多位寬加法、乘法從最低位向最高位的進位延時問題；塊RAM 和硬核乘法器可節(jié)約大量的邏輯資源且保證時序，二者在FPGA 芯片中都是自上而下成條狀分布，因此數(shù)據(jù)流水平、控制流垂直可最大限度地利用芯片底層架構(gòu)。當(dāng)然，在實際系統(tǒng)設(shè)計中，可能無法完全做到上述要求，但還是應(yīng)該盡可能地將高速率、多位寬的信號布置在芯片左右兩側(cè)。

圖5-17 賽靈思器件的進位鏈結(jié)構(gòu)示意圖

2)ISE 的實現(xiàn)工具

ISE 中集成的實現(xiàn)工具具備不同的努力程度(Effort Level)，當(dāng)然使用最高級別的，可以提高時序性能，而不必采取其它措施( 如施加更高級的時序約束，使用高級工具或者更改代碼等)，但需要花費很長的計算時間。為此，賽靈思推薦的最佳流程如圖5-18 所示。

圖5-18 賽靈思實現(xiàn)工具的最佳使用策略

在第一遍實現(xiàn)時，使用全局時序約束和缺省的實現(xiàn)參數(shù)選項，如果不能滿足時序要求，則可嘗試以下方法：

(1) 嘗試修改代碼，如使用合適的代碼風(fēng)格，增加流水線等；
(2) 修改綜合參數(shù)選項，如OpTImizaTIon Effort，Use Synthesis Constraints File，Keep Hierarchy，Register
DuplicaTIon，Register Balancing 等；
(3) 增加實現(xiàn)工具的努力程度；
(4) 在綜合和實現(xiàn)時采用指定路徑時序約束的方法。

實現(xiàn)工具分為映射(MAP) 和布局布線(PAR) 兩部分，和PAR 一樣，也可使用Map-TIming 參數(shù)選項針對關(guān)鍵路徑進行約束。如：參數(shù)“Timing-Driven Packing and Placement”給關(guān)鍵路徑以優(yōu)先時序約束的權(quán)利；用戶約束通過翻譯(Translate) 過程從User Constraints File (UCF ) 中傳遞到設(shè)計中。