如何發(fā)現(xiàn)并解決FPGA設(shè)計中的時序問題

第第頁如何發(fā)現(xiàn)并解決fpga設(shè)計中的時序問題耗費數(shù)月精力做出的設(shè)計卻無法滿足時序要求，這的確十分令人難過。然而，試圖正確地對設(shè)計舉行約束以保證滿足時序要求的過程幾乎同樣令人費神。找到并確定時序約束本身通常也是十分令人頭痛的問題。

時序問題的惱人之處在于沒有哪種辦法能夠解決全部類型的問題。因為客戶對于和現(xiàn)場應(yīng)用工程師分享源代碼通常十分敏感，因此我們通常都是通過將工具的潛力發(fā)揮到極致來協(xié)助客戶解決其時序問題。固然好消息就是通過這種辦法以及優(yōu)化rtl代碼，可以解決大多數(shù)時序問題。

但在深化探討之前，我們首先需要對時序問題舉行一點基本分析。這里的目標是首先排解顯然的問題，如將時鐘引腳置于器件的上部、在器件下部驅(qū)動數(shù)字時鐘管理器(dcm)，然后再在器件上部驅(qū)動全局緩沖(bufg)。

有時，此類引腳布局會導(dǎo)致根本沒有方法滿足時序要求。通過察看時序報告中的延遲，通?？梢园l(fā)覺這些顯然的時序問題。在這些狀況下，為了解決這些顯然的問題，都需要利用底層規(guī)劃工具“floorplanner”將造成問題的部分鎖定在適當?shù)奈恢?。底層布局?guī)劃工具還可以協(xié)助以可視的方式來理解時序問題。

用最新工具舉行時序分析

假設(shè)問題并非這么顯然，那么為了鎖定問題所在，需要了解所用法的器件系列以及軟件版本。通常，每種器件系列對應(yīng)一種最優(yōu)的軟件版本。如virtex-4器件對應(yīng)的最佳軟件是ise軟件9.2i版，而對virtex-5則是ise軟件10.1版。

綜合工具的版本也很重要，因此當采納最新的器件架構(gòu)時，下載并用法最新版軟件十分重要。軟件開發(fā)幾乎總是滯后于硬件功能，因此我不倡導(dǎo)用法舊版軟件舉行基于新器件的設(shè)計。

然而，有些客戶因為不安新的和未知的軟件缺陷而不肯意升級軟件。但是，在用法最新的器件時，假如希翼更好地處理時序挑戰(zhàn)，劇烈建議下載最新版軟件。

擁有了最適用于目標器件系列的軟件，還需要確定最佳的實現(xiàn)選項。惋惜，并沒有適用于全部狀況的超級選項組合。對于設(shè)計實現(xiàn)工具來說，有成千上萬種不同的實現(xiàn)選項組合。按照所用法的實現(xiàn)選項不同，時序分數(shù)(即全部存在錯誤的時序路徑與時序要求的差異總和，以皮秒表示)也會有很大不同。

的幾款工具可協(xié)助確定適用于特定設(shè)計的最佳實現(xiàn)選項。ise軟件現(xiàn)在包括兩個工具：xplorer以及最近發(fā)布的smartxplorer。smartxplorer可充分發(fā)揮多處理器優(yōu)點，能夠以不同選項組合運行多個實施實例。

smartxplorer需要支持，但用法十分簡單。其指令行很容易：smartxplorerdesignname.edn-pxc5vlx110t-1ff1136.

只要用戶約束文件(ucf)和網(wǎng)表約束文件(ncf)文件名相同，smartxplorer會自動用法正確的選項。唯一需要做的是編輯主機列表文件。

smartxplorer可以通過ssh/rsh平安shell登錄到其他機器。只需要在名為smartxplorer.hostlist的文件中將每臺機器一行將機器名字添加進去就可以了。假如機器有兩個處理器，請將機器列出兩次。表1給出了smartxplorer的一組結(jié)果。

表1：對基于virtex-5fpga的設(shè)計smartxplorer10.1的一個例子。

planahead軟件也包括了與smartxplorer類似的稱為exploreahead的功能。exploreahead支持同時在多臺linux機器上分布式運行布局布線任務(wù)。全部這些工具的目的都是類似的：確定實現(xiàn)工具的最佳選項組合，以獲得最好的時序得分。

請注重選項的不同組合對于時序得分和運行時光的巨大影響。認真調(diào)節(jié)綜合選項也十分重要。例如，在綜合選項中關(guān)閉結(jié)構(gòu)層次(hierarchy)通常會大大提高性能。綜合過程中的約束條件好壞在滿足時序方面的作用也很突出。

用planahead分析時序

在了解實現(xiàn)選項對最佳時序分值的影響之后，現(xiàn)在可以開頭有效地分析時序問題了。這時候，planahead是一款十分有價值的工具，可以視覺化顯示布局布線后的設(shè)計。利用它，還可以導(dǎo)入時序約束并在已布局窗口交錯探查(cross-probe)時序失敗的路徑。

當工具本身的決策不好時，則可以通過平面布局模塊或通過手工布局部分組件的方式來訂正。這一過程通常需要反復(fù)多次，才干夠確定時序優(yōu)化的最佳設(shè)計布局方式。planahead軟件的可視化功能的確使這一工作的完成更簡單了。

利用planahead軟件，首先創(chuàng)建項目(project)，然后將hdl或網(wǎng)表文件導(dǎo)入工具中。一旦創(chuàng)建了一個項目，就可以挑選“file→importplacement”。挑選時序優(yōu)化效果最佳的布局布線后(ncd)文件，將布局布線信息導(dǎo)入planahead軟件項目。

軟件會將planahead項目組織到幾個不同的窗口。左上窗口是物理分層窗口，描述了設(shè)計中的當前區(qū)域組。選定窗口在下面，包含了當前選定的數(shù)據(jù)具體信息。中間窗口是網(wǎng)表窗口，給出了囫圇網(wǎng)表的分層結(jié)構(gòu)。最右側(cè)窗口是器件觀看窗(deviceview)，里面已經(jīng)彌漫了設(shè)計實施完成后的規(guī)律。

然后，將時序分析報告(twr/twx)導(dǎo)入到planahead工具中。挑選“file→importtrcereport”。這一步將時序報告數(shù)據(jù)添加到底部窗口。根據(jù)時序余量(timingslack)對這一窗口舉行排序可以將焦點首先集中于違背時序要求最多的地方。常常的狀況是解決了這些時序偏差最大的地方所存在的問題也就解決了囫圇設(shè)計的時序問題。

圖1.planahead10.1版顯示出已實施的設(shè)計，一條時序失敗路徑高亮顯示。

一旦挑選了一條時序失敗的路徑，planahead軟件就會選定時序失敗路徑上的實例和銜接。按f9鍵放大顯示選定的部分。

這兒的事情顯得有些復(fù)雜。必需舉行一定的審查和思量才干夠顯然布局布線工具將基本單元(primitive)放在某個地方，以及為什么對于當前的特定設(shè)計來說還有更好的辦法。

可以放大顯示任何高亮的基本單元。鼠標點擊一個基本單元并拖動，可以更好地觀看其銜接狀況。在網(wǎng)表窗口，還可以移動到包含了所選實例的頂層模塊。鼠標右擊模塊名稱并為選定的實例挑選色彩，這樣就可以顯示出這一模塊在芯片中的布局，以及組內(nèi)單元是逼近還是散開的。

可能發(fā)覺有時需要更好地鎖定特定的基本單元。blockram和模塊的自動布局是導(dǎo)致時序失敗的常見緣由。很簡單發(fā)覺布局布線工具將mult18支配的位置很不好。時序失敗路徑中的塊ram輸出銜接到mult18，后者的輸出又饋送到進位鏈。塊ram在上部、mult18在下部，而規(guī)律部分又位于上部。假如布線不需要上上下下、邊邊角角地往返繞，該路徑應(yīng)該可以滿足時序要求。

時序問題不同，在planahead軟件中處理這些時序問題的解決計劃也跟著變幻。在planahead設(shè)計工具中解決時序問題需要不斷實踐。該解決計劃體現(xiàn)以下操作步驟中：

1.挑選高亮顯示失敗的時序路徑。

2.右擊路徑上的某個實例，挑選“highlightwith→colorofchoice”。

3.在左側(cè)欄中，將底部其次個mult18釋放。右擊“unplace。這將為時序失敗的塊ram騰出空間。

4.點擊拖動底部的mult18向左上移動一個位置。

5.點擊拖動右邊的塊ram到底部左側(cè)的自由塊ram位置。

6.選定失敗的時序路徑，確認路徑看起來是優(yōu)化的。

7.挑選“tools→clearplacementconstraints”。點擊第一個選項中的“next”。

8.挑選“unplaceallbutselectedinstances”。在余下的向?qū)Р襟E點擊“next”。

9.假如希翼在“planahead軟件外運行實施流程，挑選“file→exportfloorplan”。

10.工具會輸出一個新的文件名為“top.ucf”的ucf文件。你可挺直用法這一文件，或者將文件中的約束加入到原始ucf中。

11.另一個挑選是在planahead軟件內(nèi)運行實施工具。

挑選“tool→runiseplace&routewithexploreahead。

exploreahead提供了許多很好的功能，包括：自動從器件觀看窗導(dǎo)入約束到ucf；簡化了從exploreahead中運行的布局和時序結(jié)果的導(dǎo)入。

圖2.planahead10.1版軟件顯示出將dsp48和塊ram鎖定后的正確路徑。

pblock和底層規(guī)劃

假如發(fā)覺布局中有許多時序失敗路徑，手工布局調(diào)節(jié)通常無法解決問題。反過來，應(yīng)該創(chuàng)建區(qū)域組。創(chuàng)建區(qū)域組(pblock)的方式之一是在網(wǎng)表窗口中右擊模塊名字并挑選“drawpblock”。然后在器件觀看窗中希翼放置區(qū)域組的地方畫一個長方形。

工具會創(chuàng)建一個pblock，同時會顯示有關(guān)的具體信息。屬性窗口會顯示pblock需要的規(guī)律資源以及畫出的長方形區(qū)域組中可用的資源。

設(shè)計的底層規(guī)劃是一個需要深度交互的過程。你可能會發(fā)覺需要反復(fù)多次調(diào)節(jié)區(qū)域組才干夠達到目標。請記住有時創(chuàng)建的區(qū)域組越小越少越好。你并不是總需要將囫圇模塊固定為區(qū)域組。集中于時序失敗的基本單元，將它們組合為區(qū)域組并單獨為其舉行底層規(guī)劃。

在此過程中，應(yīng)該利用pblock指標(metrics)來更好地理解有關(guān)功能，如區(qū)域組中可配置的規(guī)律塊(clb)的利用狀況如何(可以在planahead軟件左上窗口中點擊metrics標簽來查看可用的指標)。這可協(xié)助確定是否某個特定區(qū)域中太擁擠以致阻礙布線。假如的確比較擁擠，可能需要通過平面規(guī)劃將設(shè)計規(guī)律放得散開一些。

一旦利用planahead軟件獲得盡可能好的時序分數(shù)，最后的任務(wù)就是優(yōu)化代碼。planahead設(shè)計工具現(xiàn)在支持hdl源文件。按照你導(dǎo)入的源文件不