Vivado綜合操作中的重定時(shí)（Retiming）

重定時(shí)（Retiming）是一種時(shí)序優(yōu)化技術(shù)，用在不影響電路輸入/輸出行為的情況下跨組合邏輯寄存器從而提高設(shè)計(jì)性能。圖1所示的電路是六輸入加法器，其中有一條關(guān)鍵路徑，紅色推出顯示的路徑是限制整個(gè)電路性能的關(guān)鍵路徑。

圖1：六輸入加法器寄存器到寄存器之間的信號路徑示例

通過對加法器輸出路徑上寄存器進(jìn)行重定時(shí)設(shè)計(jì)，調(diào)整電路的組合邏輯，可以改變整個(gè)電路的性能。

整個(gè)電路的延遲是4，圖2展示的是一種寄存器組合方法可以將邏輯最小化，將輸出寄存器融合到邏輯寄存器中稱為向后重定時(shí)設(shè)計(jì)，這一步完成后關(guān)鍵路徑被壓縮為二輸入加法器。

圖2：采用向后重定時(shí)方案二輸入加法器寄存器到寄存器路徑設(shè)計(jì)的一個(gè)示例

關(guān)于上述 示例需要注意的另一點(diǎn)是寄存器數(shù)量的變化。

圖1采用9個(gè)不同寄存器總線，圖2使用了12個(gè)不同寄存器總線，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是當(dāng)采用向后重定時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)寄存器從輸出移動到輸入時(shí)，邏輯門的兩個(gè)輸入都必須增加一個(gè)寄存器。

有兩種不同的重定時(shí)方法，向后重定時(shí)和向前重定時(shí)。向后重定時(shí)從門的輸出中刪除寄存器，并在同一邏輯門的輸入出創(chuàng)建新的寄存器。向前重定時(shí)的作用正好相反，它從邏輯門的輸入中刪除寄存器，并在輸出中創(chuàng)建新的寄存器。

若要向后重定時(shí)，組合邏輯必須僅用來驅(qū)動寄存器，而不能向其他邏輯寄存器展開，為了使前向重定時(shí)正常工作，邏輯門的每個(gè)輸入必須有具有相同控制邏輯的寄存器來驅(qū)動。

圖3：邏輯與門（AND）采用前向重定時(shí)和后向重定時(shí)的效果

全局重定時(shí)vs 局部重定時(shí)

在Vivado 綜合操作中有兩種方法實(shí)現(xiàn)自動重定時(shí)：全局重定時(shí)和局部重定時(shí)。

全局重定時(shí)是對整個(gè)設(shè)計(jì)而言的，基于設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)序要求優(yōu)化大型組合邏輯結(jié)構(gòu)中的寄存器設(shè)計(jì)。

這種方式需要分析設(shè)計(jì)中的所有邏輯，優(yōu)化最壞路徑情況下的寄存器從而使整體設(shè)計(jì)反應(yīng)速度更快。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)必須在.xdc文件中規(guī)定準(zhǔn)確的時(shí)間限制。在synth_design或Vivado GUI綜合設(shè)置下通過-retiming命令啟用全局重定時(shí)，此外該特性還可以與合成中的BLOCK_SYNTH特性一起用于設(shè)計(jì)中的特定模塊。

局部重定時(shí)是指用戶明確告訴工具使用retiming_forward、retiming_bbackward RTL屬性時(shí)需要執(zhí)行的重定時(shí)邏輯。

執(zhí)行局部重定時(shí)操作是應(yīng)該要小心，因?yàn)樗皇怯?jì)時(shí)器驅(qū)動的，而是工具將完全按照用戶要求去執(zhí)行。

有關(guān)重定時(shí)使用的更多信息，請參閱（UG901）Vivado設(shè)計(jì)工具用戶指南：Synthesis（綜合）。

分析日志文件中的信息

圖4是通過重定時(shí)提升邏輯水平的一個(gè)例子，該電路結(jié)構(gòu)中有一個(gè)關(guān)鍵的路徑分為三個(gè)邏輯層，組成的是一個(gè)37位的邏輯與門（AND），源寄存器命名為din1_dly_reg，目標(biāo)寄存器命名為tmp1_reg，在邏輯級別為0的tmp1_reg后面增加一個(gè)額外的寄存器。

這是一個(gè)理想的重定時(shí)邏輯路徑設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀兛梢郧袚Q為三個(gè)邏輯級別的路徑，由0、1、2三個(gè)局部邏輯電路模塊組成。

圖4：采用后向重定時(shí)設(shè)計(jì)的電路

綜合操作日志文件包含的信息大致如下：

從這個(gè)日志文件中你可以看到重定時(shí)操作前后的邏輯門信息對比，以及創(chuàng)建的新寄存器名稱，當(dāng)synthesis通過重定時(shí)創(chuàng)建新寄存器時(shí)，它將對后向重定時(shí)的寄存器使用后綴“bret”，對前向重定時(shí)寄存器使用后綴“fret”。

圖5展示的電路中一些不兼容的寄存器將無法進(jìn)行重定時(shí)操作，這個(gè)結(jié)構(gòu)中同樣有一個(gè)名為din1_dly_reg的源寄存器，它經(jīng)過37位邏輯與門生成三級邏輯電路結(jié)構(gòu)，然后在din1_dly_reg寄存器前結(jié)束。此外邏輯與門還有一路連接到另外一個(gè)寄存器，如下圖粉色高亮顯示的部分。

圖5：不能進(jìn)行重定時(shí)操作電路的示例

這是示例不能進(jìn)行重定時(shí)操作是因?yàn)榉奂t色高亮顯示的部分，這個(gè)寄存器需要一部重置，而tmp1_reg沒有這個(gè)功能，因?yàn)檫@兩個(gè)寄存器沒有相同的控制集，所以它們不能向后重定時(shí)到新的邏輯與門電路中，本例的日志文件信息如下：

這個(gè)日志文件包含的信息是關(guān)于 不兼容的FIFO寄存器的，前后的電路的邏輯層級不變。

以下情況下不能進(jìn)行重定時(shí)操作：1. 寄存器時(shí)序異常（多循環(huán)路徑、錯誤的路徑、最大延遲路徑）2. 寄存器的類型屬性不能改變（DONT_TOUCH, MARK_DEBUG）3. 采用不同控制級的寄存器

驅(qū)動輸出的寄存器或者被輸入驅(qū)動的寄存器（除非這部分是與前后電路不相關(guān)的）

重定時(shí)無法改善反饋循環(huán)回路中關(guān)鍵路徑的性能的一個(gè)例子：

當(dāng)路徑中具有相同的源寄存器和目標(biāo)寄存器時(shí)，重定時(shí)優(yōu)化操作可能無法改進(jìn)整個(gè)邏輯電路的結(jié)構(gòu)。

舉個(gè)例子：

寄存器“dout_reg”的關(guān)鍵路徑如下圖中紅色所示，要經(jīng)過一個(gè)邏輯與運(yùn)算，然后連接到同一寄存器的復(fù)位管腳上才算結(jié)束。

根據(jù)數(shù)位寬度（16比特）邏輯與門電路要占用兩個(gè)邏輯操作。

下面的屏幕截圖顯示了綜合操作如何描述關(guān)鍵路徑的

其中還提到了關(guān)鍵路徑中一部分模塊或寄存器的名字。