全面解讀時(shí)序路徑分析提速

在 FPGA 設(shè)計(jì)進(jìn)程中，時(shí)序收斂無疑是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。低估這項(xiàng)任務(wù)的復(fù)雜性常常導(dǎo)致工作規(guī)劃面臨無休止的壓力。賽靈思提供了諸多工具，用于幫助縮短時(shí)序收斂所需時(shí)間，從而加速產(chǎn)品上市。本篇博文描述了一種方法，能夠有效減少時(shí)序路徑問題分析所需工作量。

時(shí)序路徑問題分析定義為通過調(diào)查一條或多條具有負(fù)裕量的時(shí)序路徑來判斷達(dá)成時(shí)序收斂的方法。當(dāng)設(shè)計(jì)無法達(dá)成時(shí)序收斂時(shí)，作為分析步驟的第一步，不應(yīng)對(duì)個(gè)別時(shí)序路徑進(jìn)行詳細(xì)時(shí)序分析。應(yīng)首先從系統(tǒng)角度來分析設(shè)計(jì)，以判定是否有任何因素會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)中較大區(qū)域產(chǎn)生影響，而不只是判定有哪些因素會(huì)影響存在最嚴(yán)重違例的個(gè)別路徑。

如需獲取有關(guān)此過程的實(shí)用指南，請(qǐng)參閱《UltraFast 設(shè)計(jì)方法時(shí)序收斂快捷參考指南》（UG1292）。

本篇博文旨在描述此文檔中所述的時(shí)序基線檢查流程，尤其是當(dāng) WNS 《 0ns 或 WHS 《 -.5ns 時(shí)的布局后操作以及當(dāng) WNS 《 0ns 或 WHS 《 0ns 時(shí)的布線后操作（紅圈部分）。

為了解決這些時(shí)序收斂失敗問題，用戶可以采用時(shí)序路徑分析方法來對(duì)布局步驟、phys_opt 步驟和布線實(shí)現(xiàn)步驟之后發(fā)生的時(shí)序收斂失敗問題進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。

第一步是使用下列命令生成一組報(bào)告。

在 Vivado 非工程模式下，可將這些命令添加到用于運(yùn)行此流程的 Tcl 腳本中。在 Vivado 工程模式下，則可將這些命令添加到 Tcl 掛鉤腳本中（請(qǐng)參閱 （UG894） 的 “定義 Tcl 掛鉤腳本” 部分）。

report_design_analysis -timing -routes -logic_level_distribution -of_timing_paths ［get_timing_paths -routable_nets -max_paths 10000 -slack_lesser_than 0］ -file timing_vios.rpt

report_timing -of ［get_timing_paths -routable_nets -max_paths 1000 -slack_lesser_than 0］ -file timing_paths.rpt -rpx timing_paths.rpx

這些命令會(huì)生成文本報(bào)告 timing_vios.rpt 和 timing_paths.rpt，這些報(bào)告可通過任意文本編輯器來查看。這些命令還可生成交互報(bào)告 timing_paths.rpx，此報(bào)告可用于在 Vivado GUI 中進(jìn)行交叉探測。這些報(bào)告可顯示有關(guān)設(shè)計(jì)中時(shí)序收斂失敗的主要路徑的信息。通過將這些報(bào)告結(jié)合在一起，即可快速達(dá)成時(shí)序收斂。

timing_vios.rpt

此報(bào)告可顯示時(shí)序收斂失敗的主要路徑的屬性（根據(jù) Tcl 參數(shù)設(shè)置，最多可報(bào)告 10，000 條路徑）。報(bào)告底部顯示的直方圖可顯示每個(gè)端點(diǎn)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的時(shí)序失敗的路徑數(shù)量，按邏輯級(jí)別分組。此直方圖作為非常實(shí)用的高級(jí)視圖，可幫助縮小造成最嚴(yán)重的時(shí)序收斂失敗的時(shí)鐘域的范圍。

用戶應(yīng)首先從造成最嚴(yán)重違例的時(shí)鐘域開始分析這些失敗問題。在多 SLR 器件中，許多違例所含的邏輯級(jí)數(shù)為 0，這表示導(dǎo)致時(shí)序違例的根本原因可能是沒有足夠的流水打拍，或者 SLR 分區(qū)效果不良。

這些都只是時(shí)序失敗的線索，而并非真正原因。重要的是首先縮小問題最嚴(yán)重的區(qū)域的范圍，然后再尋找解決方案。了解最差負(fù)時(shí)序裕量時(shí)序違例的本質(zhì)有助于用戶確定應(yīng)執(zhí)行的補(bǔ)救步驟的優(yōu)先順序。以下顯示了一個(gè)簡單的直方圖示例（僅有 1 個(gè)時(shí)鐘存在時(shí)序收斂失敗路徑）。

報(bào)告其余部分可通過文本編輯器來讀取，但由于換行，可能導(dǎo)致難以閱讀。更簡單的數(shù)據(jù)分析方法是將其導(dǎo)入 Microsoft Excel。 以下過程用于將文本編輯器報(bào)告轉(zhuǎn)換為逗號(hào)分隔式報(bào)告。

1. 創(chuàng)建 timing_vios.rpt 的副本，并將其重命名為 timing_vios.csv。

2. 使用文本編輯器，移除報(bào)告中的頁眉、頁眉分隔符行和頁腳（如下紅框所示）：

3. 如果已將 -show_all 選項(xiàng)與 report_design_analysis Tcl 命令配合使用，請(qǐng)將文件中的逗號(hào) （，） 替換為冒號(hào) （：）。

4. 將所有管道字符 （|） 都替換為逗號(hào) （，），然后保存此文件。

5. 關(guān)閉文件。

timing_vios.rpt 頂部

timing_vios.rpt 底部

6. 在 Microsoft Excel 中打開此 csv 文件。

7. 移除 A 列，因?yàn)榇肆袨榭铡?/p>

8. 在頂部插入空白行。

9. 添加以下等式，以在報(bào)告中生成未經(jīng)篩選的裕量百分比。此百分比將有助于指導(dǎo)完成分析操作。此百分比值越大，則失敗特征對(duì)時(shí)序的影響越大。

=SUBTOTAL（109，G:G）/SUM（G:G）*100

10. 高亮 excel 文檔的第 2 行，該行應(yīng)為各列的標(biāo)題行，然后選擇“數(shù)據(jù) （Data） -》 篩選 （Filter）”。

對(duì)此報(bào)告使用篩選，以查找對(duì)設(shè)計(jì)影響最大的失敗類型。

此報(bào)告通常本身無法提供時(shí)序失敗的準(zhǔn)確原因，但可幫助指導(dǎo)用戶發(fā)現(xiàn)需進(jìn)一步調(diào)查的路徑，并使用交互時(shí)序報(bào)告（timing_paths.rpx；稍后將提供此報(bào)告的實(shí)用技巧）進(jìn)行調(diào)查。

通過篩選，用戶即可看到具有相似屬性（邏輯級(jí)數(shù)、起點(diǎn)管腳等）的相似失敗路徑（例如，同一條總線的路徑）。用戶可以使用未篩選的裕量百分比來指導(dǎo)他們。并且，用戶還可通過篩選來使用發(fā)現(xiàn)的記錄行（如下所示），并留意篩選后顯示的行號(hào)（電子表格中行號(hào)越小，表示顯示的時(shí)序收斂失敗的路徑越差）。

以下是一些有關(guān)篩選的實(shí)用技巧。

“文本篩選器 （Text Filters） -》 包含 （Contains）”對(duì)于篩選“起點(diǎn)管腳 （Start Point Pin）”、“終點(diǎn)管腳 （End Point Pin）”和“邏輯路徑 （Logical Path）”很有用。在 timing_vios.csv 中包含以下列（定義源自 （UG835） v2020.1 第 1324-1325 頁）。

首次生成電子表格時(shí)，可根據(jù)以下入門指南來嘗試執(zhí)行下列檢查。這些檢查主要聚焦于講解設(shè)計(jì)后的時(shí)序收斂失敗原因和修復(fù)方法。設(shè)計(jì)師還可以選擇更改硬件描述語言 （HDL） 以縮短路徑長度或者降低時(shí)鐘速率，以及運(yùn)用下文未列出的其它修復(fù)方法：

1. 在時(shí)鐘關(guān)系 （CLOCK RELATIONSHIP） 列中，是否所有時(shí)序收斂失敗的路徑都已安全完成時(shí)序約束？如果沒有，那么時(shí)序約束對(duì)于其它路徑是否合適？

2. 是否有任何時(shí)序收斂失敗的路徑的時(shí)鐘偏差 》 .5ns？如果存在此類路徑，請(qǐng)參閱 （UG1292） v2020.1 第 8 頁，以獲取相關(guān)偏差建議。

3. 對(duì)于 SSI 器件，跨 SLR 的路徑的未篩選的裕量百分比為多少？如果此比值過高，請(qǐng)參閱（UG1292） v2020.1 第 7 頁。

4. 有多少時(shí)序收斂失敗的路徑具有與之關(guān)聯(lián) Pblock？如果此比值較高，請(qǐng)參閱 （UG1292） v2020.1 第 7 頁。

5. 是否有大量時(shí)序收斂失敗的路徑的扇出都偏高 （》=512）？在 （UG1292） v2020.1 第 6 頁中，如果工具存在較大的信號(hào)線延遲，則建議對(duì)具有 512 個(gè)端點(diǎn)的高扇出信號(hào)線進(jìn)行最優(yōu)化。

6. 是否有任何時(shí)序收斂失敗的路徑具有 DONT_TOUCH 或 MARK_DEBUG？包含這些時(shí)序路徑的邏輯是否屬于非第三方邏輯或非賽靈思 IP？

這些屬性會(huì)阻礙工具執(zhí)行有助于改善時(shí)序的最優(yōu)化操作。

7. 有多少比例的路徑所含的起點(diǎn)管腳原語或端點(diǎn)管腳原語不屬于寄存器類型（非 FDPE、FDCE、FDRE 或 FDSE）？是否存在類似的失敗特征？

8. 對(duì)于布線后操作，包含非零保持時(shí)間繞行 （HOLD FIX DETOUR） 的時(shí)序路徑所占比例為多少？

timing_paths.rpt

這是基于文本的時(shí)序分析報(bào)告，包含對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)中的主要時(shí)序收斂失敗路徑（根據(jù) Tcl 命令參數(shù)，最多可包含 1000 條路徑）的時(shí)序分析。它可通過使用簡單的 Linux grep 來幫助生成前 1000 條路徑的失敗源和目標(biāo)列表。 例如，用戶可以按如下方式來識(shí)別排名前 100 的時(shí)序起點(diǎn)和端點(diǎn)。

grep -m 10 “Source：” place_paths.rpt 》 top_100_startpoints.rpt

grep -m 10 “Destination：” place_paths.rpt 》 top_100_endpoints.rpt

timing_paths.rpx

這是 timing_paths.rpt 的交互式報(bào)告版本。最實(shí)用的 3 個(gè)窗口分別是“器件 （Device）”窗口、“層級(jí) （Hierarchy）”窗口和“原理圖 （schematic）”窗口。

一旦確定某個(gè)失敗特征對(duì)于設(shè)計(jì)的時(shí)序影響較大，即可使用 timing_paths.rpx 報(bào)告來對(duì)其進(jìn)行深入挖掘。用戶通過在 Vivado 中使用 timing_paths.rpx 報(bào)告即可借助具有失敗特征的主要失敗路徑來判定出現(xiàn)時(shí)序收斂失敗特征的原因。

要查看 timing_path.rpt 中包含的每條路徑的信息，請(qǐng)?jiān)?Vivado 交互式報(bào)告中雙擊相應(yīng)的時(shí)序路徑。這樣即可顯示路徑報(bào)告匯總信息窗口，其中包含時(shí)鐘和數(shù)據(jù)路徑等路徑信息。查看原理圖中的路徑是很有用的。通過使用原理圖，即可查看有哪些時(shí)鐘被用作為數(shù)據(jù)路徑中的時(shí)序元件的時(shí)鐘源。在原理圖中還能同時(shí)展開此時(shí)序收斂失敗路徑的前后級(jí)路徑，這些信息有助于更準(zhǔn)確了解數(shù)據(jù)路徑。

此外，還可查看原理圖中的單元屬性、信號(hào)線屬性和管腳屬性，因?yàn)樵韴D可顯示時(shí)序收斂失敗的路徑附近的固定布局單元（例如，收發(fā)器）或受限布局單元（例如，塊存儲(chǔ)器）。

用戶還可高亮?xí)r序報(bào)告中的路徑，這樣即可在“Hierarchy”窗口中高亮相應(yīng)的模塊。如果用戶選擇前 10、100 或 1000 條路徑，則可查看收斂失敗的時(shí)序路徑是否集中于層級(jí)內(nèi)某一部分。已知路徑在層級(jí)中所在位置有助于將時(shí)序收斂工作重心集中于明確設(shè)計(jì)的某一區(qū)域內(nèi)包含較多違例的原因。

最后，用戶可以在時(shí)序報(bào)告中將路徑高亮，這些路徑也會(huì)顯示在“Device”窗口中，以顯示物理器件中邏輯的布局位置（如下所示）。

通過使用“Schematic”窗口，即可在時(shí)序路徑內(nèi)標(biāo)記單元以幫助用戶在“Schematic”窗口、“Hierarchy” 窗口和 “Device”窗口之間進(jìn)行瀏覽（如下所示）。

將構(gòu)建模塊放置在一起

本篇博文提供了一種時(shí)序路徑分析優(yōu)先排序方法，此方法可在 （UG1292） 的時(shí)序基線檢查流程中使用。

本篇博文中涵蓋了下列話題：

1. 如何為此時(shí)序分析生成重要報(bào)告（timing_vios.rpt 和 timing_paths.rpx）。

2. timing_vios.rpt 的分析過程包括將其轉(zhuǎn)換為便于分析的 Excel 格式 （timing_vios.csv）。

3. 使用timing_paths.rpx 來幫助確定時(shí)序收斂失敗的原因。

在發(fā)生時(shí)序收斂失敗的大型設(shè)計(jì)中，用戶將在 2 份報(bào)告之間進(jìn)行迭代（timing_vios.csv 和 timing_paths.rpx）。timing_vios.csv 報(bào)告提供了失敗的高級(jí)別視圖（例如，森林級(jí)視圖）。timing_paths.rpx 報(bào)告包含 “Schematic” 窗口、“Device” 窗口和路徑報(bào)告，可提供各條路徑的具體信息（例如，單獨(dú)的樹視圖）。

您可反復(fù)切換回 timing_vios.csv 以查看共有的失敗特征。即使大偵探面對(duì)千頭萬緒也可能一籌莫展，負(fù)裕量最高的路徑也可能無法輕易解釋其時(shí)序收斂失敗原因。如果發(fā)生這種情況，那么應(yīng)分析負(fù)裕量僅次于它的另一組時(shí)序路徑，查看其失敗原因。

這樣做的目的是通過明確最常見的時(shí)序收斂失敗的原因來盡可能快速使工作取得進(jìn)展。希望能夠藉此加快達(dá)成時(shí)序收斂，少受殫精竭慮之苦。

祝狩獵愉快！

文中提到的 User Guide 可復(fù)制如下網(wǎng)址進(jìn)行查閱：

UG894： https://china.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2020_1/ug894-vivado-tcl-scripting.pdf

UG835： https://china.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2020_1/ug835-vivado-tcl-commands.pdf

UG1292： https://china.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2020_1/c_ug1292-ultrafast-timing-closure-quick-reference.pdf

編輯：jq