降低時(shí)序報(bào)告中邏輯延遲的方法

1. 引言

在FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)能達(dá)到的最高性能往往由以下因素決定：

? 工作時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘不確定性；

? 邏輯延遲：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號(hào)經(jīng)過的邏輯量；

? 網(wǎng)絡(luò)或路徑延遲：Vivado布局布線后引入的延遲量。

Vivado軟件完成布局布線后，我們可以打開時(shí)序分析報(bào)告，來查看時(shí)序沒有過的路徑是由哪些因素導(dǎo)致的時(shí)序違規(guī)。Vivado會(huì)通過列表形式展示每條時(shí)序違規(guī)路徑的信息，如下圖所示。

雙擊上面表中的其中一條路徑，會(huì)展開關(guān)于該路徑更詳細(xì)的時(shí)序報(bào)告，如下圖：

上圖這個(gè)時(shí)序違例的例子，可以看到，該路徑邏輯延遲貢獻(xiàn)了11.934%的延遲量、路徑延遲貢獻(xiàn)了88.066%延遲量。該路徑邏輯級(jí)數(shù)為5，經(jīng)過了2個(gè)CARRY4、1個(gè)LUT4和2個(gè)LUT6。

2. 降低邏輯延遲的方法

如果邏輯延遲大，我們需要查看該路徑是不是只包含CLB器件，還是說該路徑還經(jīng)過了如DSP、RAMB、URAM、FIFO或GT等器件。

2.1 路徑只包含CLB器件

常規(guī)布線路徑是在寄存器（FD*）或移位寄存器（SRL*）之間的路徑，它們經(jīng)過一些 LUT、MUXF 和 CARRY 元件。通常會(huì)遇到以下幾種情形導(dǎo)致邏輯延遲過大：

(1)較高邏輯層數(shù)(logic levels)的組合電路。用戶在兩個(gè)寄存器之間插入的組合邏輯過于復(fù)雜，級(jí)聯(lián)了過多的LUT、CARRY等元件，導(dǎo)致邏輯延遲過高時(shí)序過不了。如下圖中，兩個(gè)寄存器之間有一個(gè)logic levels為5層的組合邏輯。

建議的解決方案： 在設(shè)計(jì)的早期階段，通過TCL命令“report_qor_assessment”，早些識(shí)別出邏輯層數(shù)較高組合邏輯，通過代碼優(yōu)化手段來降低邏輯層次?；蛘撸诰C合的時(shí)候，將“-retiming”全局變量勾選上。

(2)路徑上有很多小的級(jí)聯(lián)LUT（LUT1-LUT4）。這些多個(gè)小的級(jí)聯(lián)查找表是可以被合并成數(shù)量更少的LUT的。阻止這些級(jí)聯(lián)LUT合并的原因可能如下：

• 有些小的LUT表存在一些扇出(扇出為10，或者更高)；
• 用戶使用了一些properties語(yǔ)法，比如：KEEP、KEEP_HIERARCHY、DON’T_TOUCH或MARK_DEBUG。

建議的解決方案： 移除掉這些properties語(yǔ)法，重新編譯綜合工程。

(3)路徑上有單個(gè)CARRY(非級(jí)聯(lián))限制了LUT的優(yōu)化，導(dǎo)致vivado布局也不是最優(yōu)。

建議的解決方案： 在綜合的時(shí)候，使用“FewerCarryChains”綜合指令?；蛘邔?duì)該CELL在opt_design階段設(shè)置CARRY_REMAP屬性。(具體使用方法可以查看UG904)

2.2 路徑包含其他復(fù)雜器件（DSP、RAM等）

如果時(shí)序路徑上會(huì)經(jīng)過宏原語(yǔ)元件(macro primitives)如DSP、RAM、URAM、FIFO或GT_CHANNEL等元件，布局布線的難度會(huì)加大，也會(huì)導(dǎo)致更高的布局布線延遲。降低這些路徑的邏輯延遲方法如下：

(1)在進(jìn)出宏原語(yǔ)元件電路周圍，增加額外的流水結(jié)構(gòu)。比如：

• 原設(shè)計(jì)是用的一個(gè)大位寬RAM緩存數(shù)據(jù)，把這個(gè)大位寬RAM拆分成多個(gè)并行的小位寬RAM實(shí)現(xiàn)相同的功能。
• 原設(shè)計(jì)乘法器為2級(jí)流水乘法器，把它改為2級(jí)以上的流水乘法器。
• 數(shù)據(jù)進(jìn)出宏原語(yǔ)元件時(shí)，都用寄存器打一拍等。

(2)在包含宏原語(yǔ)元件的路徑上減少邏輯層數(shù)，這點(diǎn)對(duì)改善整個(gè)設(shè)計(jì)的性能提升很明顯。

Tips: 在修改RTL之前，可以嘗試把DSP、RAM、URAM的自帶流水寄存器使能都打開，然后重新編譯工程，看時(shí)序是否能有改善。比如將下面這條路徑：

設(shè)置如下屬性：

set_property -dict {DOA_REG 1 DOB REG 1} [get_cells xx/ramb18_inst]

注意，由于使能這些寄存器后，邏輯時(shí)序會(huì)有變動(dòng)，此時(shí)的RTL功能和你原先設(shè)計(jì)是有出入的，所以不用生成bitstream，這樣操作的目的只是為了看時(shí)序能如何改善。

3. 總結(jié)

本文主要介紹了如何減少時(shí)序報(bào)告中的邏輯延遲，下期文章我們將向大家介紹如何降低路徑延遲的方法。如果覺得我們原創(chuàng)或引用的文章寫的還不錯(cuò)，幫忙點(diǎn)贊和推薦吧，謝謝您的關(guān)注。