FPGA时序的基本概念,RTL项目的设计探索

对于FPGA而言，时序收敛是一个很重要的概念。在我看来，时序约束是必要的，但不是在最重要的，我们应该在设计初始就考虑到时序问题，而不是完全的靠约束来获得一个好的结果。

在军事和航空领域，工程师面临的挑战越来越严峻，例如延迟要求、带宽要求、在极端气温下使应用达标，以及紧迫的工程进度。在更高的抽象层级上工作，设计会更加清晰简洁，报错和纠错也会更少。但是，这个方法一般会以牺牲性能为代价。要想在 FPGA 设计中实现高性能，需要手动优化 RTL 代码。而在 C 到 RTL 开发环境中直接生成的RTL代码，往往是不达标的.

1. FPGA时序的基本概念

FPGA器件的需求取决于系统和上下游（upstream and downstrem）设备。我们的设计需要和其他的devices进行数据的交互，其他的devices可能是FPGA外部的芯片，可能是FPGA内部的硬核。

对于FPGA design来说，必须要关注在指定要求下，它能否正常工作。这个正常工作包括同步时序电路的工作频率，以及输入输出设备的时序要求。在FPGA design内部，都是同步时序电路，各处的延时等都能够估计出来，但是FPGA内部并不知道外部的设备的时序关系。所以，Timing constraints包括：

输入路径（Input paths ）

寄存器-寄存器路径（Register-to-register paths ）

输出路径（Output paths ）

例外（Path specific exceptions ）

这正好对应了上图中三个部分，Path specific exceptions 暂时不提。

Input paths对应的是OFFSET IN约束，即输入数据和时钟之间的相位关系。针对不同的数据输入方式（系统同步和源同步，SDR和DDR）有不同的分析结果。

Register-to-register paths 对应的是整个FPGA design的工作时钟。如果只有一个时钟，那么只需要指定输入的频率即可。如果有多个时钟，这些时钟是通过DCM，MMCM，PLL生成的，那么显然ISE知道这些时钟之间的频率、相位关系，所以也不需要我们指定。如果这些不同的时钟是通过不同的引脚输入的，ISE不知道其相位关系，所以指定其中一个为主时钟，需要指定其间的相位关系。

Output paths对应的是OFFSET OUT 约束，和OFFSET IN约束很类似，不过方向相反。

2. 找到合适的 FPGA 工具设置

尽管工程师们很清楚已有 FPGA 工具的参数设置，但是很多时候并没有完全把这些设置的功能发挥出来。一般而言，这些设置只有在设计无法达到时序要求的时候才会用到。而且，对于已经达到性能目标的设计来说，如果好好利用这些设置，性能再提升10%-50%也是完全有可能的。难点在于，各种 FPGA 工具一般会有30-70个综合和布局布线的设置选项，从这些选项中选择合适的那一组设置组合如同大海捞针。幸好，目前已经有些工具可以控制并运行设计探索，而且整套流程是自动化的，也十分严谨。

最后的一个难题，是计算资源的匮乏。传统的嵌入式应用都是在单一电脑上设计的，但是运行多个编译需要更多的计算能力，这样就会牺牲更多的时间。如果可以并行运行编译的话，那么周转时间就会短很多。

3. 优化高层次设计

市面上已经有工具可以将设计性能提升50%并且不改变 RTL 代码了。如下图所展示的是设计探索非常好的一个例子：在视频处理的设计中，进行 Sobel Filter Implementation。该设计的目标器件为一个 FPGA 搭载双核 Arm® Cortex®-A9 MPCore™。

该设计的时钟周期为5.00ns或者200MHz。根据时序预估，它的时序还差506ps，也就是据目标速率还差10%或181MHz，如下图

Intime在不改变 C++代码的情况下，工程师把设计输出为 RTL 代码。通过使用一种探索工具，工程师打开项目(xpr)，然后并行运行不同 FPGA 工具参数的编译来优化设计。

在两轮优化，15次编译之后，该设计达到了性能目标，200MHz，而且没有修改源代码。如下图：

这个案例并不是说这种优化只能在高层次设计中进行。其实，只要是RTL代码都有可能提升性能。

4. RTL 项目的设计探索

软件无线电 (SDR) 是另一个可以从时序收敛工具中获益的应用。在这个案例中，参考设计直接用 RTL 代码创建。这是一个高性能，高集成度的射频 (RF) 捷变收发器 (Agile Transceiver)，为3G和4G基站的应用而设计。该设备把一个拥有灵活混合信号基带单元的射频前端 (RF Front End)，和集成频率合成器 (integrated frequency synthesizers)相结合，再把处理器加上一个可配置的数字界面。

开始的时钟周期是4ns  或250MHz，并且参考设计默认时序达标。为了让这个设计时序失败，工程师把时钟周期设置成激进的2ns，新的目标速率为500MHz。在这种情况下，设计时序离达标就会差246ps，并以445MHz 运行。

在同样的情况下，不改变RTL，该设计可以通过探索多种 FPGA 工具参数来优化。优化过程为三轮，60次编译。

结果显示，最终 WNS 从-246ps 提升到-0.051ps，提升了79.2%，相当于时钟周期为487MHz 以及9.4%的最大频率提升。如下图：

5. 让性能更进一步

随着科学技术的发展，电子器件会变得越来越复杂，要求也越来越高，这是大势所趋。新的 FPGA 软件科技和方法会帮助我们提升质量、效率，满足我们的需求。尽管 FPGA 设计的潜能尚未完全被了解，但工具参数的探索可以减少高层次设计的性能牺牲，从而保证项目完成地又快又好。工程师们会在使用工具探索 FPGA 设计参数选项上，越来越熟练。这些工具也会在设计中大放异彩。

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