FPGA在线调试信号被优化原因分析及防止优化方法总结

之前的一篇文章介绍了FPGA在线调试的方法[1]。这几种方法都比较常用，但是现实往往没有这么简单，很多时候，工具在综合，布局布线阶段会对某些代码进行优化，所以实际的电路与代码中的信号无法对应上，也是很常见的事情。而我们常常会使用代码中的信号名来抓取信号，后期布局布线阶段，无法找到对应的电路信号，可能会导致无法抓取信号或者布局布线失败。

一般来说，信号被优化，主要情况大致为两点：

1. 多余的bit

例如，我们定义状态机信号state为4bit信号，但实际上我们的状态机只有0，1两种状态。这种情况下，工具会自动认为多余的3bit没有用到，直接将state优化为1bit，所以想直接抓取state完整的信号就没有办法抓到；计数器信号被优化大部分也是因为bit数多余了。

2. 重复的信号，或者有更好的设计方法

很多人说verilog编写，心中要有电路。但是对于初学者来说，将verilog代码与数字电路对应上，还是比较困难的，所以他们的代码上，有很多优化空间，也有些代码只是为了“测试”，后期没有驱动其他信号。而工具也较为“智能”地发现这一点，帮助设计者做好优化。然而，设计者的信号可能就会被省略，导致实际电路没有代码对应的信号。

解决这种问题的方法也有多种，分为被动和主动方法。

1. 被动方法：将被省略的信号输出

在我初学的时候，遇到这种情况的解决方案，是直接将被省略的信号输出，以上面说的state为例，直接在module的输入输出端口增加一个output reg [3:0] state，并将原来的state定义注释掉。如此一来，信号必须要输出，工具不会对信号进行优化。

对于一些仅仅用于“测试”的代码，没有驱动其他信号而被优化的情况，初学时的方法一般是给它增加一个驱动，让这个信号去驱动别的信号，让工具看到这个信号的“价值”，从而避免它被干掉。

2. 主动方法：使用SYNTHESIS 语句防止被优化

使用专用的SYNTHESIS语句告诉工具，不要优化该信号，在不同的工具中，语句内容，使用方式不同。

在Quartus中，使用/ synthesis noprune /,/ synthesis preserve /等语句，注意，这些语句如果是用于信号的定义时，需要放在定义的语句尾部。如下图所示：

reg [3:0] state    /*synthesis preserve*/;
reg [3:0] nxt_state   /*synthesis preserve*/;

当然也有别的语句，还有将语句放在module定义尾部，防止模块内任意信号被优化，由于好久没有使用过quartus，怕说错了这部分内容，就不多说了，这些资料可以使用baidu/google/bing搜索“QUARTUS防止信号优化”获得。

在Vivado中，使用(* keep="true" )，( keep_hierarchy="yes" *)语句。这些语句是放在信号定义之前的。

(* keep="true" *)reg [3:0] state  ;
(* keep="true" *)(* max_fanout=50 *) reg [12:0] index ;

以及

(* keep_hierarchy="yes" *)
clk_manager 
clk_manager_inst(
.clk_in(clk_in),
.rst(rst),
...
);

(* keep="true" )对信号进行保护，但并不是说一定有效。一般遇到加了( keep="true" )还被优化的信号，我会使用( keep_hierarchy="yes" *)对整体模块进行保护，一般到这一步，信号就可以抓取到了。

当然，也可以用Schematic，查看具体的实现之后，信号是否还存在。Schematic如下：

当然，最主要还是要提高自己的姿势水平，写出更“规范”的代码，规避工具所想与自己所想有差异。

使用工具版本：

QUARTUS II: 13.1

VIVADO: 2019.1