FPGA設(shè)計中的時序問題的詳細分析與解決方案

耗費數(shù)月精力做出的設(shè)計卻無法滿足時序要求，這確實非常令人傷心。然而，試圖正確地對設(shè)計進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非常令人頭痛的問題。

時序問題的惱人之處在于沒有哪種方法能夠解決所有類型的問題。由于客戶對于和現(xiàn)場應(yīng)用工程師共享源代碼通常非常敏感，因此我們通常都是通過將工具的潛力發(fā)揮到極致來幫助客戶解決其時序問題。當然好消息就是通過這種方法以及優(yōu)化RTL代碼，可以解決大多數(shù)時序問題。

但在深入探討之前，我們首先需要對時序問題進行一點基本分析。這里的目標是首先排除明顯的問題，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，此類引腳布局會導致根本沒有辦法滿足時序要求。通過察看時序報告中的延遲，通?？梢园l(fā)現(xiàn)這些明顯的時序問題。在這些情況下，為了解決這些明顯的問題，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)奈恢谩５讓硬季忠?guī)劃工具還可以幫助以可視的方式來理解時序問題。

用最新工具進行時序分析

假設(shè)問題并非這么明顯，那么為了鎖定問題所在，需要了解所使用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Xilinx Virtex-4器件對應(yīng)的最佳軟件是ISE軟件9.2i版，而對Virtex-5 FPGA則是ISE軟件10.1版。

綜合工具的版本也很重要，因此當采用最新的器件架構(gòu)時，下載并使用最新版軟件非常重要。軟件開發(fā)幾乎總是滯后于硬件功能，因此我不提倡使用舊版軟件進行基于新器件的設(shè)計。

然而，有些客戶由于擔心新的和未知的軟件缺陷而不愿意升級軟件。但是，在使用最新的器件時，如果希望更好地處理時序挑戰(zhàn)，強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?？上?，并沒有適用于所有情況的超級選項組合。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。根據(jù)所使用的實現(xiàn)選項不同，時序分數(shù)(即所有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。

賽靈思的幾款工具可幫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Linux支持，但使用非常容易。其命令行很簡單：smartxplorer designname.edn -p xc5vlx110t-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會自動使用正確的選項。唯一需要做的是編輯主機列表文件。

SmartXplorer可以通過SSH/rsh安全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。如果機器有兩個處理器，請將機器列出兩次。表1給出了SmartXplorer的一組結(jié)果。

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表1：對基于Virtex-5 FPGA的設(shè)計SmartXplorer 10.1的一個例子。

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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)。所有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。

請注意選項的不同組合對于時序得分和運行時間的巨大影響。仔細調(diào)整綜合選項也非常重要。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)在可以開始有效地分析時序問題了。這時候，PlanAhead是一款非常有價值的工具，可以視覺化顯示布局布線后的設(shè)計。利用它，還可以導入時序約束并在已布局窗口交叉探查(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糾正。這一過程通常需要反復多次，才能夠確定時序優(yōu)化的最佳設(shè)計布局方式。PlanAhead軟件的可視化功能確實使這一工作的完成更容易了。

利用PlanAhead軟件，首先創(chuàng)建項目(project)，然后將HDL或網(wǎng)表文件導入工具中。一旦創(chuàng)建了一個項目，就可以選擇“File→Import Placement”。選擇時序優(yōu)化效果最佳的布局布線后(ncd)文件，將布局布線信息導入PlanAhead軟件項目。