工程師談FPGA時序約束七步法

　　從最近一段時間工作和學(xué)習(xí)的成果中，我總結(jié)了如下幾種進(jìn)行時序約束的方法。按照從易到難的順序排列如下：

　　0. 核心頻率約束

　　這是最基本的，所以標(biāo)號為0。

　　1. 核心頻率約束+時序例外約束

　　時序例外約束包括FalsePath、MulticyclePath、MaxDelay、MinDelay。但這還不是最完整的時序約束。如果僅有這些約束的話，說明設(shè)計者的思路還局限在FPGA芯片內(nèi)部。

　　2. 核心頻率約束+時序例外約束+I/O約束

　　I/O約束包括引腳分配位置、空閑引腳驅(qū)動方式、外部走線延時（InputDelay、OutputDelay）、上下拉電阻、驅(qū)動電流強(qiáng)度等。加入I/O約束后的時序約束，才是完整的時序約束。FPGA作為PCB上的一個器件，是整個PCB系統(tǒng)時序收斂的一部分。FPGA作為PCB設(shè)計的一部分，是需要PCB設(shè)計工程師像對待所有COTS器件一樣，閱讀并分析其I/O Timing Diagram的。FPGA不同于COTS器件之處在于，其I/O Timing是可以在設(shè)計后期在一定范圍內(nèi)調(diào)整的；雖然如此，最好還是在PCB設(shè)計前期給與充分的考慮并歸入設(shè)計文檔。 riple

　　正因為FPGA的I/O Timing會在設(shè)計期間發(fā)生變化，所以準(zhǔn)確地對其進(jìn)行約束是保證設(shè)計穩(wěn)定可控的重要因素。許多在FPGA重新編譯后，F(xiàn)PGA對外部器件的操作出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題都有可能是由此引起的。

　　3. 核心頻率約束+時序例外約束+I/O約束+Post-fit Netlist

　　引入Post-fit Netlist的過程是從一次成功的時序收斂結(jié)果開始，把特定的一組邏輯（Design Partition）在FPGA上實現(xiàn)的布局位置和布線結(jié)果（Netlist）固定下來，保證這一布局布線結(jié)果可以在新的編譯中重現(xiàn)，相應(yīng)地，這一組邏輯的時序收斂結(jié)果也就得到了保證。這個部分保留上一次編譯結(jié)果的過程就是Incremental Compilation，保留的網(wǎng)表類型和保留的程度都可以設(shè)置，而不僅僅局限于Post-fit Netlist，從而獲得相應(yīng)的保留力度和優(yōu)化效果。由于有了EDA工具的有力支持，雖然是精確到門級的細(xì)粒度約束，設(shè)計者只須進(jìn)行一系列設(shè)置操作即可，不需要關(guān)心布局和布線的具體信息。由于精確到門級的約束內(nèi)容過于繁多，在qsf文件中保存不下，得到保留的網(wǎng)表可以以Partial Netlist的形式輸出到一個單獨(dú)的文件qxp中，配和qsf文件中的粗略配置信息一起完成增量編譯。

　　4. 核心頻率約束+時序例外約束+I/O約束+LogicLock

　　LogicLock是在FPGA器件底層進(jìn)行的布局約束。LogicLock的約束是粗粒度的，只規(guī)定設(shè)計頂層模塊或子模塊可以調(diào)整的布局位置和大?。↙ogicLock Regions）。成功的LogicLock需要設(shè)計者對可能的時序收斂目標(biāo)作出預(yù)計，考慮特定邏輯資源（引腳、存儲器、DSP）與LogicLock Region的位置關(guān)系對時序的影響，并可以參考上一次時序成功收斂的結(jié)果。這一權(quán)衡和規(guī)劃FPGA底層物理布局的過程就是FloorPlanning。LogicLock給了設(shè)計者對布局位置和范圍更多的控制權(quán)，可以有效地向EDA工具傳遞設(shè)計者的設(shè)計意圖，避免EDA工具由于缺乏布局優(yōu)先級信息而盲目優(yōu)化非關(guān)鍵路徑。由于模塊在每一次編譯中的布局位置變化被限定在了最優(yōu)的固定范圍內(nèi)，時序收斂結(jié)果的可重現(xiàn)性也就更高。由于其粗粒度特性，LogicLock的約束信息并不很多，可以在qsf文件中得到保留。

　　需要注意的是，方法3和4經(jīng)常可以混合使用，即針對FloorPlanning指定的LogicLock Region，把它作為一個Design Partition進(jìn)行Incremental Compilation。這是造成上述兩種方法容易混淆的原因。

　　5. 核心頻率約束+時序例外約束+I/O約束+寄存器布局約束

　　寄存器布局約束是精確到寄存器或LE一級的細(xì)粒度布局約束。設(shè)計者通過對設(shè)計施加精準(zhǔn)的控制來獲得可靠的時序收斂結(jié)果。對設(shè)計中的每一個寄存器手工進(jìn)行布局位置約束并保證時序收斂是一項浩大的工程，這標(biāo)志著設(shè)計者能夠完全控制設(shè)計的物理實現(xiàn)。這是一個理想目標(biāo)，是不可能在有限的時間內(nèi)完成的。通常的做法是設(shè)計者對設(shè)計的局部進(jìn)行寄存器布局約束并通過實際運(yùn)行布局布線工具來獲得時序收斂的信息，通過數(shù)次迭代逼近預(yù)期的時序目標(biāo)。 riple

　　不久前我看到過一個這樣的設(shè)計：一個子模塊的每一個寄存器都得到了具體的布局位置約束。該模塊的時序收斂也就相應(yīng)地在每一次重新編譯的過程中得到了保證。經(jīng)過分析，這一子模塊的設(shè)計和約束最初是在原理圖中進(jìn)行的，在達(dá)到時序收斂目標(biāo)后該設(shè)計被轉(zhuǎn)換為HDL語言描述，相應(yīng)的約束也保存到了配置文件中。

　　6. 核心頻率約束+時序例外約束+I/O約束+特定路徑延時約束

　　好的時序約束應(yīng)該是“引導(dǎo)型”的，而不應(yīng)該是“強(qiáng)制型”的。通過給出設(shè)計中關(guān)鍵路徑的時序延遲范圍，把具體而微的工作留給EDA工具在該約束的限定范圍內(nèi)自由實現(xiàn)。這也是一個理想目標(biāo)，需要設(shè)計者對每一條時序路徑都做到心中有數(shù)，需要設(shè)計者分清哪些路徑是可以通過核心頻率和簡單的時序例外約束就可以收斂的，哪些路徑是必須制定MaxDelay和MinDelay的，一條也不能遺漏，并且還需要EDA工具“善解人意”的有力支持。設(shè)定路徑延時約束就是間接地設(shè)定布局布線約束，但是比上述3、4、5的方法更靈活，而且不失其準(zhǔn)確性。通過時序約束而不是顯式的布局和網(wǎng)表約束來達(dá)到時序收斂才是時序約束的真諦。

　　記得有網(wǎng)友說過“好的時序是設(shè)計出來的，不是約束出來的”，我一直把這句話作為自己進(jìn)行邏輯設(shè)計和時序約束的指導(dǎo)。好的約束必須以好的設(shè)計為前提。沒有好的設(shè)計，在約束上下再大的功夫也是沒有意義的。不過，通過正確的約束也可以檢查設(shè)計的優(yōu)劣，通過時序分析報告可以檢查出設(shè)計上時序考慮不周的地方，從而加以修改。通過幾次“分析—修改—分析”的迭代也可以達(dá)到完善設(shè)計的目標(biāo)。應(yīng)該說，設(shè)計是約束的根本，約束是設(shè)計的保證，二者是相輔相成的關(guān)系。