FPGA實(shí)戰(zhàn)開發(fā)技巧（6）

5.3.3.2 提高時(shí)序性能的手段

時(shí)序性能是FPGA 設(shè)計(jì)最重要的指標(biāo)之一。造成時(shí)序性能差的根本原因有很多，但其直接原因可分為三類：布局較差、邏輯級(jí)數(shù)過(guò)多以及信號(hào)扇出過(guò)高。下面通過(guò)時(shí)序分析實(shí)例來(lái)定位原因并給出相應(yīng)的解決方案。

1．布局太差及解決方案

圖5-13 所示時(shí)序報(bào)告，其中附加的周圍約束為3ns，實(shí)際周期為3.027ns，邏輯時(shí)間只有0.869ns，而布線延遲竟達(dá)到2.203ns，很明顯失敗的原因就是布局太差。

圖5-13 布局太差的時(shí)序報(bào)告示意圖

相應(yīng)的解決方案有：

1) 在ISE 布局工具中調(diào)整布局的努力程度(effort level) ；
2) 利用布局布線工具的特別努力程度(extra effort) 或MPPR 選項(xiàng)；
3) 如果用戶熟悉區(qū)域約束，則利用Floorplanner 相對(duì)區(qū)域約束(RLOC)，重新對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行布局規(guī)劃。

2．邏輯級(jí)數(shù)過(guò)多及解決方案

在FPGA 設(shè)計(jì)中，邏輯級(jí)數(shù)越高，意味著資源的利用率就越高，但對(duì)設(shè)計(jì)工作頻率的影響也越大。在圖5-5所示的例子中，附加的周圍約束為3ns，實(shí)際周期為3.205ns，邏輯時(shí)間為1.307ns，已經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)際性能造成了一定的影響。對(duì)于這種情況，ISE 實(shí)現(xiàn)工具是沒有任何改善的，必須通過(guò)修改代碼來(lái)提高性能，相應(yīng)的解決方案有：

1) 使用流水線技術(shù)，在組合邏輯中插入寄存器，簡(jiǎn)化原有的邏輯結(jié)構(gòu)；
2) 檢查該路徑是否是多周期路徑，如果是，添加相應(yīng)的多周期約束；
3) 具備良好的編碼習(xí)慣，不要嵌套if 語(yǔ)句或if、case 語(yǔ)句，并且盡量用case 語(yǔ)句代替if 語(yǔ)句。

圖5-14 邏輯級(jí)數(shù)太多的時(shí)序報(bào)告示意圖

3．信號(hào)扇出過(guò)高及解決方案

高扇出會(huì)造成信號(hào)傳輸路徑過(guò)長(zhǎng)，從而降低時(shí)序性能。如圖5-15 所示，附加的周期約束為3ns，而實(shí)際周期為3.927ns，其中網(wǎng)線的扇出已經(jīng)高達(dá)187，從而導(dǎo)致布線時(shí)延達(dá)到3.003ns，占實(shí)際時(shí)延的77.64%。這種情況是任何設(shè)計(jì)所不能容忍的。

圖5-15 扇出太高的時(shí)序報(bào)告示意圖

相應(yīng)的解決方案有：

1) 通過(guò)邏輯復(fù)制的方法來(lái)降低信號(hào)的高扇出，可在HDL 代碼中手動(dòng)復(fù)制或通過(guò)在綜合工具中設(shè)置達(dá)到目的；
2) 可利用區(qū)域約束，將相關(guān)邏輯放置在一起，當(dāng)然本方法僅限于高級(jí)用戶。