FPGA手工布局的原因、方法、工具和差异

Q1. 为啥要手工布局？
A1. 首先人比机器更聪明，更了解自己设计的需求和结构。其次在关键路径上的手工布局能提高时序性能，使不满足要求变成满足要求。

Q2. 有没有可能整个设计都用手工布局？
A2. 从原理上来说是没有不可能的，但这是没有必要的。我们只要保证最关键的路径能满足时序要求即可。

Q3. 手工布局牵涉哪些技术？
A3. RPM - Relatively Placed Macros （其实就是使用RLOC约束限制布局的相对关系）
DIRT - Directed Routing （不仅限制位置，还限制走线）
HardMacro - 硬核，记录所有信息

Q4. Hard Macro 和 RPM + DIRT 的功能有什么区别吗？
A4. RPM位置基于Slice，Slice-based RPM可以在Slice所有范围内任意布局，不以CLB的位置作为分界。Grid-based RPM只是加入了BRAM乘法器之类的支持，原则上也跟CLB边界无关。而Hard Macro只有在完全相同的结构内在可以移动，所以他的边界至少是CLB，某些时候还需要考虑BRAM和乘法器的位置。

Q5. 什么是Slice-based RPM 和 Grid-based RPM？
A5. Slice-based 方法为整个器件内的slice设定坐标。看上去两个相邻的坐标位置实际上可能中间隔着一个BRAM。Grid-based则将整个器件统一编址，坐标系统看上去可能在某些地方会有缺少，但是不会造成上面提到的那种现象。

Q6. 什么时候用Slice-based RPM，什么时候又用Grid-based RPM呢？
A6. 如果RPM中包含既有Slice又有乘法器、DSP48、BRAM等器件的时候，就用Grid。如果RPM中只含有Slice，那么两种都可以使用，但是用Slice-based更简单一点，因为他的X和Y坐标都是逐个增加的。

Q7. 有什么工具可以用来做RPM？
A7. FloorPlanner和PlanAhead都可以生成包含RPM的UCF。我们也可以自己将一些约束添加到VHDL/Verilog中去。RPM规模较小时，后者更方便。用FPGA Editor生成DIRT约束时，也会同时产生相关路径RPM的约束。

Q8. 通常RPM都是多大规模？
A8. 通常RPM只是规定关键路径的位置，因此不会很大。比如3-5个寄存器之间的位置关系、BRAM和输出数据的第一级寄存器的位置关系等等，这些都不涉及到很多的元件。当然FloorPlanner可以把整个已布局的设计都导出成RPM，但个人以为没多大用处。

Q9. 用FloorPlanner建RPM的流程是什么？
A9. 参见Xapp422

Q10. 用PlanAhead建RPM的流程是什么？
A10. 导出Pblock就行。详细文档可以查阅PlanAhead User Guide。

Q11. 手动写RPM的约束会很难吗？
A11. 其实更简单更方便。一个例子：

(* RLOC = "X1Y2" *)
reg e_reg;

另一个例子：

(* RLOC = "X0Y1" *)
FDCPE #(
.INIT(1'b0) // Initial value of register (1'b0 or 1'b1)
) FDCPE_a (
.Q(a_reg), // Data output
.C(clk), // Clock input
.CE(1'b1), // Clock enable input
.CLR(reset), // Asynchronous clear input
.D(a), // Data input
.PRE(1'b0) // Asynchronous set input
);

Q12. RPM的语法是什么？
A12. 最基本的就是RLOC约束的用法。参考Constraint Guide.

Q13. RPM有没有什么辅助约束？
A13. RLOC_ORIGIN和RLOC_RANGE可以规定把某个RPM放在设计中的某个位置。 RPM可以建组（H_SET, U_SET, HU_SET）。几个寄存器放在一个Slice里的时候，可以用BEL规定某个寄存器的位置，甚至还可以用LOCK_PINS约束规定某个寄存器IO的位置。这些约束的定义都在Constraint Guide中。

Q14. 怎么做DIRT呢？
A14. 打开FPGA Editor，打开布局布线好的ncd文件，选择Tools --> Directed Routing Constraints...， 选中关心的网线，生成UCF或将约束显示在FPGA Editor Console中，然后复制到HDL代码或UCF中。更详细的流程参考Constraint Guide -->DIRT.

Q15. 怎么做Hard Macro呢？
A15. 还是用FPGA Editor。将NCD存成NMC， 删除不关心的逻辑，包括所有IO。与外部逻辑交互的端口通过Edit --> Add Hardmacro External Pin 添加Hard Macro Pin. 更详细的流程参考AR10901.

Q16. 怎么用Hard Macro呢？
A16. 在设计源代码中要使用Hard Macro的地方，就用一个Black Box就可以了。NMC文件放在工程目录下。