如何实现复杂fpga设计的时序收敛

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1、如何实现复杂FPGA设计的时序收敛2007-10-0509:27:30“打鼹鼠”是一个古老(电子时代之前)的休闲游戏。在桌面上有许多洞，每个洞里都藏着鼹鼠。当有鼹鼠从洞里钻出来时，你就用锤子打它，让鼹鼠退回洞里，你因此而得分。当鼹鼠返回洞里时，又有一只鼹鼠会随机地从另外一个洞里钻出来，你需要近乎疯狂地击打鼹鼠头部直到得了高分，这样心情也很舒畅。需要说明的是，游戏中并不是真的鼹鼠。世界有些地方把这种游戏叫“打老鼠”，我也不明白为什么啮齿动物在外面总是人人喊打。要实现复杂FPGA芯片设计的时序收敛，就非常类似于这一古老的游戏，但趣味自然少了许多。

2、 为什么FPGA设计类似“打鼹鼠”？ 在FPGA设计中(除验证外)，最主要的时间陷阱(TimeSink)是时序收敛。时序收敛常常是一个不断反复的过程，以确保设计中的每个路径都满足时序要求。在相对较小、速度较慢的设计中，时序收敛比较容易，而且是自动收敛的，因此对FPGA器件或实现工具的要求不高。然而，实际中的大多数设计并非如此轻松，它们要求对每个关键路径进行调整，以满足时序要求，而期间又会不断有新的关键路径被发现或出现。 图1是迭代的时序收敛示意图。在第一阶段，只有路径C的时间裕量是负数。为改善路径C，对设计进行修改。随着对路径C实现约束，路经

3、B和E又成为关键路径(见第二阶段)，然后又对路径B和E进行改善。以此类推，直到所有路径都满足时序要求。 图1：迭代的时序收敛示意图。 很显然，这种过程非常类似于打鼹鼠游戏；只不过并不像游戏那样轻松，而是让我们紧张。 全新的FPGA产品系列真能解决这一问题吗？ 实际上，FPGA厂商已开发出优异的新一代FPGA以满足用户对更高性能和更高容量的需求。然而，FPGA用户更善于发掘推动FPGA突破容量限制的新方法，从而将FPGA引入更多新的应用领域。 FPGA已不再是一系列均匀分布的查找表(LUT)和由各种不同长度和速度的布线资源连接起来的触发器。目前

4、，业界领先的FPGA设计包含多个时钟域，并使用嵌入式累积乘法(MAC)功能块，包括嵌入式处理器和各种存储器资源。FPGA的应用也随着器件内各种特定资源的增多而得以扩展，并准备着在FPGA内部实现这些特定的功能块。这是个好现象，但从某种程度上说，这种嵌入式资源的分布将导致时序收敛的问题更加突出。正如下文的RAM示例所指出的，嵌入式功能本身就是导致布线差异的根源。 这里假设设计需要做一些修改，以根据最新功能要求增加RAM的容量。在FPGA器件中可能有丰富的RAM资源，但需要使用不同的RAM资源，比如使用一个大的块RAM，而不是一组分布式RAM。综

5、合工具能够轻松映射到所需的RAM，但新的块RAM可能只存在于FPGA器件上的特定列中，因此这时的设计布局将不同于原始布局。关键路径的连线从含有新RAM的列开始或向其延伸，或者重新布局以使关键路径靠近新的RAM，但其它收敛或发散的路径却会延长。使用传统的综合工具很难避免这种问题。因此需要密切注意这些时序收敛问题。 为什么布线预测如此重要？ 布线延迟本质上是不可预测的，因为FPGA内各个驱动与负载之间存在许多不同的布线路径。每个路径的延迟不同，在工具流程开始的时候，逻辑综合无法预测流程结束时布局布线算法将要选择哪条路径。最快的布线资源通常是最缺乏

6、的，布线阻塞常导致非最优的布线延时。仅靠开发具有更多、更快布线资源的FPGA器件并非解决方法，因为此时FPGA的面积使用效率更低、成本更高、功耗也更大。 随着采用更先进的CMOS工艺的新一代FPGA的推出，布线延迟将不可避免地成为关键路径总延迟中最关键的部分，因此综合和布局布线流程中的时序可预测性也变得一代不如一代。最终，导致时序收敛的原因可以归结为综合预测的路径时序与布局/布线实际实现的时序之间的差异。解决方法是在整个流程中较早引入布局(并最好也同时引入布线)并融入综合过程。这种全新的综合/布局布线工具将大幅减少时序收敛所需的迭代数，这也正

7、是FPGA物理综合实际能达到的效果。 如何在“打鼹鼠”游戏中获胜？ 下面以带多个复杂模块的大型设计(图2)为例来讨论。很多情况下，一个时序问题的解决将改变RTL，并且一些改进时序的做法也会增加资源的使用。 图2：RTL变化如何使路径发生变化。 在图2中，模块A紧邻模块B和模块B，当为解决某个时序问题而修改模块A的RTL时，模块A会扩展到模块B和C使用的区域。这将迫使B和C中的器件发生移动，路径延长，从而产生新的关键路径。请注意，模块B或C中的逻辑没有变化，正常的逻辑综合流程不会由于模块A的尺寸变化而改变它对B或C中的互连延时的估计，因为模块A

8、的RTL变化和B或C中新的关键路径之间的因果关系是物理上的。一般情况下，导致设计迭代具有不可预测性的本质原因是物理特性，因此真正的物理综合当仁不让成为首选解决方案。