對于FPGA而言，時序收斂是一個很重要的概念。在我看來，時序約束是必要的，但不是在最重要的，我們應(yīng)該在設(shè)計初始就考慮到時序問題，而不是完全的靠約束來獲得一個好的結(jié)果。

在軍事和航空領(lǐng)域，工程師面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻，例如延遲要求、帶寬要求、在極端氣溫下使應(yīng)用達標(biāo)，以及緊迫的工程進度。在更高的抽象層級上工作，設(shè)計會更加清晰簡潔，報錯和糾錯也會更少。但是，這個方法一般會以犧牲性能為代價。要想在 FPGA 設(shè)計中實現(xiàn)高性能，需要手動優(yōu)化 RTL 代碼。而在 C 到 RTL 開發(fā)環(huán)境中直接生成的RTL代碼，往往是不達標(biāo)的.

1. FPGA時序的基本概念

FPGA器件的需求取決于系統(tǒng)和上下游（upstream and downstrem）設(shè)備。我們的設(shè)計需要和其他的devices進行數(shù)據(jù)的交互，其他的devices可能是FPGA外部的芯片，可能是FPGA內(nèi)部的硬核。

對于FPGA design來說，必須要關(guān)注在指定要求下，它能否正常工作。這個正常工作包括同步時序電路的工作頻率，以及輸入輸出設(shè)備的時序要求。在FPGA design內(nèi)部，都是同步時序電路，各處的延時等都能夠估計出來，但是FPGA內(nèi)部并不知道外部的設(shè)備的時序關(guān)系。所以，Timing constraints包括：

輸入路徑（Input paths ）

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

輸出路徑（Output paths ）

例外（Path specific exceptions ）

這正好對應(yīng)了上圖中三個部分，Path specific exceptions 暫時不提。

Input paths對應(yīng)的是OFFSET IN約束，即輸入數(shù)據(jù)和時鐘之間的相位關(guān)系。針對不同的數(shù)據(jù)輸入方式（系統(tǒng)同步和源同步，SDR和DDR）有不同的分析結(jié)果。

Register-to-register paths 對應(yīng)的是整個FPGA design的工作時鐘。如果只有一個時鐘，那么只需要指定輸入的頻率即可。如果有多個時鐘，這些時鐘是通過DCM，MMCM，PLL生成的，那么顯然ISE知道這些時鐘之間的頻率、相位關(guān)系，所以也不需要我們指定。如果這些不同的時鐘是通過不同的引腳輸入的，ISE不知道其相位關(guān)系，所以指定其中一個為主時鐘，需要指定其間的相位關(guān)系。

Output paths對應(yīng)的是OFFSET OUT 約束，和OFFSET IN約束很類似，不過方向相反。

2.找到合適的 FPGA 工具設(shè)置

盡管工程師們很清楚已有 FPGA 工具的參數(shù)設(shè)置，但是很多時候并沒有完全把這些設(shè)置的功能發(fā)揮出來。一般而言，這些設(shè)置只有在設(shè)計無法達到時序要求的時候才會用到。而且，對于已經(jīng)達到性能目標(biāo)的設(shè)計來說，如果好好利用這些設(shè)置，性能再提升10%-50%也是完全有可能的。難點在于，各種 FPGA 工具一般會有30-70個綜合和布局布線的設(shè)置選項，從這些選項中選擇合適的那一組設(shè)置組合如同大海撈針。幸好，目前已經(jīng)有些工具可以控制并運行設(shè)計探索，而且整套流程是自動化的，也十分嚴(yán)謹(jǐn)。

最后的一個難題，是計算資源的匱乏。傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用都是在單一電腦上設(shè)計的，但是運行多個編譯需要更多的計算能力，這樣就會犧牲更多的時間。如果可以并行運行編譯的話，那么周轉(zhuǎn)時間就會短很多。

3.優(yōu)化高層次設(shè)計

市面上已經(jīng)有工具可以將設(shè)計性能提升50%并且不改變 RTL 代碼了。如下圖所展示的是設(shè)計探索非常好的一個例子：在視頻處理的設(shè)計中，進行 Sobel Filter Implementation。該設(shè)計的目標(biāo)器件為一個 FPGA 搭載雙核 Arm? Cortex?-A9 MPCore?。

該設(shè)計的時鐘周期為5.00ns或者200MHz。根據(jù)時序預(yù)估，它的時序還差506ps，也就是據(jù)目標(biāo)速率還差10%或181MHz，如下圖

Intime在不改變 C++代碼的情況下，工程師把設(shè)計輸出為 RTL 代碼。通過使用一種探索工具，工程師打開項目(xpr)，然后并行運行不同 FPGA 工具參數(shù)的編譯來優(yōu)化設(shè)計。

在兩輪優(yōu)化，15次編譯之后，該設(shè)計達到了性能目標(biāo)，200MHz，而且沒有修改源代碼。如下圖：

這個案例并不是說這種優(yōu)化只能在高層次設(shè)計中進行。其實，只要是RTL代碼都有可能提升性能。

4.RTL 項目的設(shè)計探索

軟件無線電 (SDR) 是另一個可以從時序收斂工具中獲益的應(yīng)用。在這個案例中，參考設(shè)計直接用 RTL 代碼創(chuàng)建。這是一個高性能，高集成度的射頻 (RF) 捷變收發(fā)器 (Agile Transceiver)，為3G和4G基站的應(yīng)用而設(shè)計。該設(shè)備把一個擁有靈活混合信號基帶單元的射頻前端 (RF Front End)，和集成頻率合成器 (integrated frequency synthesizers)相結(jié)合，再把處理器加上一個可配置的數(shù)字界面。

開始的時鐘周期是4ns 或250MHz，并且參考設(shè)計默認(rèn)時序達標(biāo)。為了讓這個設(shè)計時序失敗，工程師把時鐘周期設(shè)置成激進的2ns，新的目標(biāo)速率為500MHz。在這種情況下，設(shè)計時序離達標(biāo)就會差246ps，并以445MHz 運行。

在同樣的情況下，不改變RTL，該設(shè)計可以通過探索多種 FPGA 工具參數(shù)來優(yōu)化。優(yōu)化過程為三輪，60次編譯。

結(jié)果顯示，最終 WNS 從-246ps 提升到-0.051ps，提升了79.2%，相當(dāng)于時鐘周期為487MHz 以及9.4%的最大頻率提升。如下圖：

5.讓性能更進一步

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子器件會變得越來越復(fù)雜，要求也越來越高，這是大勢所趨。新的 FPGA 軟件科技和方法會幫助我們提升質(zhì)量、效率，滿足我們的需求。盡管 FPGA 設(shè)計的潛能尚未完全被了解，但工具參數(shù)的探索可以減少高層次設(shè)計的性能犧牲，從而保證項目完成地又快又好。工程師們會在使用工具探索 FPGA 設(shè)計參數(shù)選項上，越來越熟練。這些工具也會在設(shè)計中大放異彩。

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