提高FPGA設(shè)計(jì)效能的方法

隨著FPGA密度的增加，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)規(guī)模更大、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，從而將密度優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。這些大規(guī)模設(shè)計(jì)基于這樣的設(shè)計(jì)需求——需要在無(wú)線通道卡或者線路卡等現(xiàn)有應(yīng)用中加入新功能，或者通過把兩種芯片功能合并到一個(gè)器件中，減小電路板面積，或者針對(duì)新應(yīng)用開發(fā)新設(shè)計(jì)。

這些不同的設(shè)計(jì)含有應(yīng)用程序已有代碼，或者是對(duì)延時(shí)要求較高的DSP。對(duì)于這類設(shè)計(jì)，綜合工具可能無(wú)法優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最優(yōu)，導(dǎo)致關(guān)鍵通路出現(xiàn)較長(zhǎng)的延時(shí)。關(guān)鍵通路延時(shí)較長(zhǎng)的原因在于邏輯綜合工具依靠估算的延時(shí)來(lái)綜合設(shè)計(jì)。

這些延時(shí)較長(zhǎng)的關(guān)鍵通路帶來(lái)了時(shí)序逼近問題，導(dǎo)致性能劣化，迫使設(shè)計(jì)人員重新編寫RTL代碼以改進(jìn)這些延時(shí)較長(zhǎng)的關(guān)鍵通路。此外，用戶在得到滿足時(shí)序規(guī)范的最佳RTL代碼之前，還需要進(jìn)行多次迭代。這就進(jìn)一步推遲了產(chǎn)品面市時(shí)間。

邏輯利用率較高的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的另一問題是布線擁塞。設(shè)計(jì)人員必須重新編寫RTL或者在布局布線工具中嘗試不同的設(shè)置，以提高這些關(guān)鍵通路的性能。這種“嘗試出錯(cuò)”的方法也導(dǎo)致產(chǎn)品推遲面市，降低了效能。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行時(shí)序逼近時(shí)，這兩個(gè)問題的確是很大的挑戰(zhàn)，時(shí)序逼近成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的主要難題。能夠同時(shí)解決這兩個(gè)問題并提高性能的一種解決方案是采用物理綜合工具。物理綜合工具由FPGA供應(yīng)商提供，有時(shí)也由第三方EDA工具供應(yīng)商提供。物理綜合工具的主要功能是以盡可能少的迭代次數(shù)，通過減少關(guān)鍵通路的數(shù)量來(lái)提高時(shí)序逼近(即性能)，從而縮短了產(chǎn)品面市時(shí)間。

物理綜合工具的設(shè)計(jì)流程如圖1所示，按以下方式進(jìn)行工作。邏輯綜合工具使用邏輯復(fù)制等算法復(fù)制扇出較多的邏輯，對(duì)較長(zhǎng)的邏輯通路中的寄存器重新定時(shí)，以提高性能。物理綜合工具不同于邏輯綜合工具，它使用相似的算法，利用精確的延時(shí)和精確的信息來(lái)優(yōu)化關(guān)鍵通路。邏輯綜合工具更多的依靠全局延時(shí)估算，而物理綜合工具使用精確的延時(shí)。

圖1. 物理綜合工具是整個(gè)綜合設(shè)計(jì)流程的一部分。

圖1顯示了物理綜合工具也是整個(gè)綜合流程的一部分。物理綜合工具作為綜合工具的一部分在邏輯綜合之后運(yùn)行，為進(jìn)一步澄清概念，可以把它稱為早期物理綜合。在這一流程中，邏輯綜合之后，工具對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的布局布線進(jìn)行建模，再次使用重新定時(shí)和復(fù)制等算法來(lái)提高關(guān)鍵通路的性能。某些EDA供應(yīng)商開發(fā)了基于這一級(jí)精度的工具來(lái)解決時(shí)序逼近問題。

圖2顯示了另一物理綜合工具流程，在典型流程中，布局階段之后首先調(diào)用這一流程。在這一階段，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面布局，對(duì)互聯(lián)延時(shí)進(jìn)行延時(shí)估算，因此，能夠更精確地預(yù)測(cè)關(guān)鍵通路。通過使用上面介紹的算法，可以改進(jìn)關(guān)鍵通路來(lái)滿足性能要求。不需要修改RTL代碼的任何一行就可以完成這些處理工作。在綜合工具中有可能以不精確的延時(shí)對(duì)寄存器重新定時(shí)，導(dǎo)致性能下降，而通過對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行布局，使物理工具做出智能判斷，從而有助于預(yù)測(cè)對(duì)哪些寄存器重新定時(shí)，提高性能。

圖2. Quartus II設(shè)計(jì)軟件中的物理綜合工具設(shè)置。