通過物理綜合與優(yōu)化提升設(shè)計(jì)性能

工藝技術(shù)的發(fā)展極大地提高了FPGA器件的密度。多個(gè)賽靈思Virtex系列中都包含了超過1百萬系統(tǒng)門的器件。這種器件密度的提高和300mm晶圓片的使用，為FPGA批量生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

曾經(jīng)只能使用ASIC來實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)現(xiàn)在可以在可編程器件中實(shí)現(xiàn)了。最新的90nm Virtex-4器件提供了超過200,000個(gè)邏輯單元、6MB的塊RAM和接近100個(gè)DSP塊。創(chuàng)建能夠有效利用這些器件中的可用資源并滿足性能要求的設(shè)計(jì)是極具挑戰(zhàn)性的工作。幸運(yùn)的是，今天的EDA軟件工具已經(jīng)發(fā)展到能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)了。

邏輯優(yōu)化、邏輯布局和最小化互連延遲都是實(shí)現(xiàn)最大性能的重要工作。時(shí)序驅(qū)動(dòng)綜合技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)性能提供了重大改進(jìn)。影響時(shí)序驅(qū)動(dòng)綜合的限制因素是估計(jì)布線延遲的精度。

物理綜合――基于物理布局和布線信息進(jìn)行綜合――是有效解決這些問題的最前沿技術(shù)。物理綜合與優(yōu)化把綜合引入到網(wǎng)表生成后的實(shí)現(xiàn)決策中，從而進(jìn)一步擴(kuò)展了這一技術(shù)。這將允許在實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)實(shí)際的布局布線信息對(duì)綜合映射與打包決策進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)查。

物理綜合與優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)

邏輯層次之間的互連延遲受邏輯單元布局的接近性、布線擁塞和網(wǎng)絡(luò)之間對(duì)快速布線資源的局部競(jìng)爭(zhēng)的影響。解決這一問題的方法是在映射、布局和布線期間重新審查綜合決策。在映射階段，可以根據(jù)每個(gè)時(shí)序路徑的緊急程度對(duì)網(wǎng)表進(jìn)行重新優(yōu)化、打包和布局。這一方法減少了達(dá)到時(shí)序收斂所需的實(shí)現(xiàn)次數(shù)。

物理綜合與優(yōu)化流程

賽靈思ISE軟件提供了多個(gè)實(shí)現(xiàn)物理綜合與優(yōu)化的軟件選項(xiàng)。您可以根據(jù)您的設(shè)計(jì)的具體需求單獨(dú)或合并使用這些選項(xiàng)。

――定義時(shí)序要求

進(jìn)行有效物理綜合的最重要一步是建立準(zhǔn)確全面的時(shí)序約束。有了這些約束，實(shí)現(xiàn)工具就基于可靠信息做出決策，從而改善總體效果。對(duì)那些具有嚴(yán)格要求的時(shí)鐘和I/O引腳進(jìn)行約束，以減輕剩余設(shè)計(jì)部分的工作。

定義這些時(shí)序約束的最輕松途徑是使用ConstraintsEditor。這一圖形工具允許您輸入時(shí)鐘頻率、多周期與虛假路徑(falsepath)約束、I/O時(shí)序要求，以及大量其他澄清性要求。約束被寫入一個(gè)用戶約束文件(UCF)中，可在任何文本編輯器中進(jìn)行編輯。

如果未提供用戶定義的時(shí)序約束，ISE.8.1i軟件提供了一個(gè)新功能，將自動(dòng)為每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘生成時(shí)序約束。在“性能評(píng)估模式(PEM)”中，您可以在不必提供時(shí)序目標(biāo)的情況下獲得高性能的物理綜合與優(yōu)化效果。

――運(yùn)行全局優(yōu)化

對(duì)于包含IP核或其他網(wǎng)表的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換(NGDBuild)階段后生成的NGD文件表示整個(gè)設(shè)計(jì)第一次被完整編譯。全局優(yōu)化是在7.1.01i版本Map中增加的一項(xiàng)新功能，將進(jìn)行完整設(shè)計(jì)的組裝，并嘗試通過重新優(yōu)化組合與寄存器邏輯來提高設(shè)計(jì)性能。全局優(yōu)化（命令行鍵入map?Cglobal_opt）顯示可提高設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率平均7%。

還有兩個(gè)選項(xiàng)可以讓您在此階段進(jìn)一步控制優(yōu)化的完成：時(shí)序調(diào)整(retiming)(map-retiming)將前后移動(dòng)寄存器以平衡組合邏輯延遲，和等效寄存器刪除(map-equivalent_register_removal)將通過冗余功能性刪除寄存器。

――允許時(shí)序驅(qū)動(dòng)打包與布局

時(shí)序驅(qū)動(dòng)打包與布局是物理綜合實(shí)現(xiàn)流程的核心。當(dāng)您采用這個(gè)選項(xiàng)(map-timing)，布局布線的布局階段將在Map中完成，允許在初始結(jié)果未達(dá)最優(yōu)時(shí)對(duì)打包決策進(jìn)行重新審查。時(shí)序驅(qū)動(dòng)打包迭代流程替換了無關(guān)邏輯打包（unrelatedlogicpacking）。

賽靈思物理綜合與優(yōu)化中包含不同級(jí)別的優(yōu)化。第一級(jí)優(yōu)化是在ISE6.1i軟件中引入的，從進(jìn)行邏輯變換開始，其中包括扇出控制、邏輯復(fù)制、擁塞控制，以及改進(jìn)的延遲估計(jì)。這些例程使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更高效的打包和布局，達(dá)到了更快的時(shí)鐘頻率和更高密度的邏輯利用率。

下一級(jí)增加了邏輯與寄存器優(yōu)化；Map可重新安排單元以改進(jìn)關(guān)鍵路徑延遲。這些變換為滿足設(shè)計(jì)時(shí)序要求提供了極大的靈活性。使用了大量不同技術(shù)（包括內(nèi)部引??換、基本單元切換，以及邏輯重組）將物理單元轉(zhuǎn)換成邏輯上等效的不同結(jié)構(gòu)，以滿足設(shè)計(jì)要求。

ISE8.1i軟件引入了另外一級(jí)物理綜合：組合邏輯優(yōu)化。該-logic_opt開關(guān)將開啟一個(gè)流程，對(duì)設(shè)計(jì)中的所有組合邏輯進(jìn)行檢查。給定布局和時(shí)序信息，您可以對(duì)優(yōu)化LUT結(jié)構(gòu)做出更可靠的決策，以改進(jìn)總體設(shè)計(jì)。

物理綜合與優(yōu)化示例

邏輯復(fù)制：如果一個(gè)LUT或觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載，而這些負(fù)載中有一個(gè)或多個(gè)負(fù)載的放置位置離驅(qū)動(dòng)源的距離太遠(yuǎn)因而無法滿足時(shí)序要求時(shí)，可以復(fù)制該LUT或觸發(fā)器并放置在靠近該組負(fù)載的地方，從而減小布線延遲（圖1）。

邏輯重組：如果關(guān)鍵路徑跨越多個(gè)切片中的多個(gè)LUT，可利用較少的切片對(duì)該邏輯進(jìn)行重新組織，采用時(shí)序上更高效的LUT與多路轉(zhuǎn)換器組合來降低該路徑所需的布線資源（圖2）。

基本單元切換：如果一個(gè)功能使用LUT和多路轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，物理綜合與優(yōu)化可對(duì)該功能進(jìn)行重新安排，將最快的路徑（一般通過多路轉(zhuǎn)換器選擇引腳）分配給最關(guān)鍵的信號(hào)（圖3）。

引腳轉(zhuǎn)換：LUT的每個(gè)輸入引腳可能有不同的延遲，所有Map擁有交換引腳（以及關(guān)聯(lián)的LUT等式）的能力，以便將最關(guān)鍵的信號(hào)放置在最快的引腳上（圖4）。

結(jié)論

賽靈思工具集中的物理綜合與優(yōu)化功能將進(jìn)一步走向成熟并隨著每個(gè)軟件版本的發(fā)布進(jìn)行擴(kuò)展。伴隨效果質(zhì)量的改進(jìn)，您可以期待著對(duì)優(yōu)化類型的更多控制。其他計(jì)劃中的強(qiáng)化措施還包括在再優(yōu)化階段考慮更多設(shè)計(jì)單元（例如允許將寄存器移入和移出I/O塊或塊RAM和DSP塊等專門功能），以及將布線階段包含進(jìn)物理綜合迭代過程，以及優(yōu)化系統(tǒng)。

賽靈思ISE軟件中的物理綜合與優(yōu)化工具是為在實(shí)現(xiàn)的打包和布局階段對(duì)您的FPGA設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新檢查而創(chuàng)建的。給定時(shí)序約束和物理版圖信息，在映射和布局布線階段優(yōu)化綜合決策可極大地改進(jìn)結(jié)果。