Vivado開發(fā)技巧：綜合策略與合適的編譯順序

綜合（Synthesis）是指將RTL設計轉換為門級描述。Vivado開發(fā)套件中的綜合工具是一款時序驅動型、專為內存使用率和性能優(yōu)化的綜合工具，支持System Verilog 2012、Verilog 2005、VHDL 2008、混合語言中的可綜合子集，以及XDC設計約束文件（基于工業(yè)標準的SDC文件），此外還支持RTL屬性來控制綜合細節(jié)。

綜合設置選項
在Flow Navigator中點擊Settings，切換到Synthesis標簽中：

1.Constraints部分
選擇用于綜合的約束集，一個約束集是一組XDC約束文件，默認選擇狀態(tài)為active的約束集。設計約束分兩種：

物理約束：定義管腳布局、單元（如塊RAM、查找表、觸發(fā)器等）布局的的絕對或相對位置；

時序約束：定義設計的頻率需求。如果沒有時序約束，Vivado會根據(jù)布線長度和布局擁擠度優(yōu)化設計。

2.Options部分
選擇綜合運行時使用的策略（strategy）。Vivado提供了幾種預定義的策略，后文將講述如何創(chuàng)建自定義策略。這里給出綜合策略中每個設置選項的含義：

flatten_hierarchy：定義綜合工具如何控制層次結構（比如模塊之間的調用），選擇將所有層次展開融為一體進行綜合，還是分別獨立綜合再連接到一起。

none表示從不展開層次結構，綜合輸出與原始RTL有相同的層次；

full表示全部展開層次結構，只留下頂層；

rebuilt讓綜合工具展開層次結構后進行綜合，綜合后再按原始RTL重建層次結構。這樣既保留了跨界優(yōu)化的好處，又讓最終層次結構與RTL類似，便于分析。

gated_clock_conversion：選擇是否將門控時鐘轉換為使能信號。設計中應該避免使用門控時鐘，需要的時鐘信號應盡可能由MMCM/PLL產生。轉換過程需要與RTL屬性配合工作，具體在第24篇介紹。

bufg：設置綜合工具可以從設計中推斷出多少個BUFG。比如使用默認的12時，如果RTL中實例化了3個BUFG，那么綜合工具最多還可以推測出9個沒有明確實例化的BUFG。

fanout_limit：設置一個信號的最大驅動負載數(shù)量，如果超出了該限制，就會復制一個相同的邏輯來驅動超出的負載。這里只是一個總體設置，在RTL設計中還可以使用RTL屬性進行更具體的設置，具體在第24篇介紹。

directive：設置Vivado綜合運行時擦愛去的優(yōu)化方式，具體包括

Default，默認設置。

RuntimeOptimized，執(zhí)行最短時間的優(yōu)化選項，會忽略一些RTL優(yōu)化來減少綜合運行時間。

AreaOptimized_high/medium，執(zhí)行一些通用的面積優(yōu)化。

AlternateRoutability，使用算法提高布線能力，減少MUXF和CARRY的使用。

AreaMapLargeShiftRegToBRAM，將大型的移位寄存器用塊RAM來實現(xiàn)。

AreaMultThresholdDSP，會更多地使用DSP塊資源。

FewerCarryChains，位寬較大的操作數(shù)使用查找表（LUT）實現(xiàn)，而不用進位鏈。

retiming：啟用該功能，可以通過在組合門和LUT之間移動寄存器（達到寄存器平衡狀態(tài)）提高內部時鐘時序路徑的電路性能。該功能會保留原來的功能和電路延遲，也不需要改變RTL源文件。

fsm_extraction：設置綜合如何從設計中提取和映射有限狀態(tài)機，具體在第24篇介紹。

keep_equivalent_registers：阻止合并有相同輸入邏輯的寄存器。

resource_sharing：設置不同信號間共享算數(shù)操作符，選擇為auto時設計會根據(jù)設計時序判斷是否進行資源共享。

no_lc：選中會關閉LUT組合。

no_srlextract：選中該選項時，移位寄存器會用普通的寄存器實現(xiàn)，而不用FPGA內部專用的SRL資源。

max_bram：設置設計中運行使用的最大塊RAM數(shù)量。通常當設計中有黑盒子或第三方網(wǎng)表時，使用該選項來節(jié)省空間。默認值為-1，表示允許使用該FPGA中所有的塊RAM。

max_uram：設置設計中運行使用的最大UltraRAM數(shù)量（對于UltraScale架構FPGA而言）。-1，表示允許使用該FPGA中所有的UltraRAM。

max_dsp：設置設計中運行使用的最大DSP塊數(shù)量。通常當設計中有黑盒子或第三方網(wǎng)表時，使用該選項來節(jié)省空間。默認值為-1，表示允許使用該FPGA中所有的DSP資源。

max_bram_cascade_height：設置可以將BRAM級聯(lián)在一起的最大數(shù)量。

max_uram_cascade_height：設置可以將URAM級聯(lián)在一起的最大數(shù)量。

cascade_dsp：設置在求DSP塊輸出總數(shù)時使用多少個加法器，默認計算時會使用塊內部的加法器鏈。設置為tree會強制將該計算在fabric結構中實現(xiàn)。

no_timing_driven：禁用默認的時序驅動綜合算法，這樣可以減少綜合運行時間，但會忽略綜合中時序的影響。

sfcu：在單文件編譯單元模式下運行綜合。

assert：將VHDL中的assert狀態(tài)納入評估。失敗或錯誤級別會停止綜合進程并產生一個錯誤信息；警報級別會產生一個警告信息。

tcl.pre/tcl.post：選擇tcl文件，在綜合前和綜合后會自動運行其中的命令。這兩個文件應該放在相應的運行目錄下，如project/project.runs/run_name。

創(chuàng)建綜合策略
除了Vivado提供的配置好的綜合策略外，還可以自行配置。在Settings中根據(jù)需要修改了設置選項后，點擊右側的Save strategy as按鈕（如下圖紅框），會彈出窗口，填寫策略名稱和相關描述，即可保存為用戶自定義的綜合策略。綜合策略列表的User defined strategies中即會出現(xiàn)自定義的綜合策略。

在Settings->Tool Settings->Strategies中也可以設置綜合策略，點擊“+”即可新建策略。如果想在已有策略的基礎上修改，則選中一個策略，點擊上方的Copy Strategy按鈕，User Defined Strategies中就會出現(xiàn)備份以供修改（Vivado提供的策略是不能修改的）。點擊Apply應用配置后，綜合策略列表中就會出現(xiàn)自定義的策略。

控制文件編譯順序
綜合時必須選取合適的編譯順序，比如一個文件需要用到另一個文件中的相關申明。Vivado按照RTL文件的層次化結構編譯文件，相關順序顯示在Sources窗口的Compile Order子窗口中（在底部選擇切換）。

Vivado可以自動識別和設置最佳的頂層模塊，同時自動管理編譯順序。頂層模塊文件和該層次結構下所有的文件，都會以正確的順序用于綜合和仿真。Sources窗口的右鍵菜單->Hierarchy Update命令用于設置Vivado如何處理設計中文件的改動。

Automatic Update and Compile Order設定當源文件發(fā)生改動時，工具自動管理編譯順序，Compile Order窗口中將顯示編譯順序，Hierarchy窗口中顯示文件是否在層次結構中使用以及所處的位置。

Automatic Update, Manual Compile Order設定Vivado可以自動決定最佳頂層模塊，但是允許人工設定編譯順序。在Compile Order窗口中拖動文件所處位置即可完成修改。

Vivado支持將Verilog(.v)或Verilog Header(.vh)文件作為全局`include文件。Vivado會在其它源文件前優(yōu)先處理此類文件。選中需要添加的文件，右鍵->Set Global Include即可，或者在屬性窗口中選中相應復選框。

編輯：hfy