設(shè)計(jì)性能：物理綜合與優(yōu)化

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® VirtexTM 系列中都包含了超過(guò) 1 百萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)的器件。這種器件密度的提高和 300 mm 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(lái)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 90 nm Virtex-4 器件提供了超過(guò) 200,000 個(gè)邏輯單元、6 MB 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(mǎn)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(xiàn)延遲的精度。

物理綜合——基于物理布局和布線(xiàn)信息進(jìn)行綜合——是有效解決這些問(wèn)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，

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(xiàn)擁塞和網(wǎng)絡(luò)之間對(duì)快速布線(xiàn)資源的局部競(jìng)爭(zhēng)的影響。解決這一問(wèn)題的方法是在映射、布局和布線(xiàn)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 Constraints Editor。這一圖形工具允許您輸入時(shí)鐘頻率、多周期與虛假路徑 (false path) 約束、I/O 時(shí)序要求，以及大量其他澄清性要求。約束被寫(xiě)入一個(gè)用戶(hù)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(hù)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(guò)重新優(yōu)化組合與寄存器邏輯來(lái)提高設(shè)計(jì)性能。全局優(yōu)化（命令行鍵入 map –global_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(guò)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(xiàn)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(wú)關(guān)邏輯打包（unrelated logic packing）。

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 ISE 6.1i 軟件中引入的，從進(jìn)行邏輯變換開(kāi)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(mǎn)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)部引腳交換、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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

ISE 8.1i 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(kāi)關(guān)將開(kāi)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(wú)法滿(mǎn)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(xiàn)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(lái)降低該路徑所需的布線(xiàn)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(guò)多路轉(zhuǎn)換器選擇引腳）分配給最關(guān)鍵的信號(hào)（圖 3）。 
 

• 引腳交換：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(lèi)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(zhuān)門(mén)功能），以及將布線(xiàn)階段包含進(jìn)物理綜合迭代過(guò)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(xiàn)階段優(yōu)化綜合決策可極大地改進(jìn)結(jié)果。