FPGA实战开发技巧（6）

5.3.3.2 提高时序性能的手段

时序性能是FPGA 设计最重要的指标之一。造成时序性能差的根本原因有很多，但其直接原因可分为三类：布局较差、逻辑级数过多以及信号扇出过高。下面通过时序分析实例来定位原因并给出相应的解决方案。

1．布局太差及解决方案

图5-13 所示时序报告，其中附加的周围约束为3ns，实际周期为3.027ns，逻辑时间只有0.869ns，而布线延迟竟达到2.203ns，很明显失败的原因就是布局太差。

 

图5-13 布局太差的时序报告示意图

相应的解决方案有：

1) 在ISE 布局工具中调整布局的努力程度(effort level) ；
2) 利用布局布线工具的特别努力程度(extra effort) 或MPPR 选项；
3) 如果用户熟悉区域约束，则利用Floorplanner 相对区域约束(RLOC)，重新对设计进行布局规划。

2．逻辑级数过多及解决方案

在FPGA 设计中，逻辑级数越高，意味着资源的利用率就越高，但对设计工作频率的影响也越大。在图5-5所示的例子中，附加的周围约束为3ns，实际周期为3.205ns，逻辑时间为1.307ns，已经对设计的实际性能造成了一定的影响。对于这种情况，ISE 实现工具是没有任何改善的，必须通过修改代码来提高性能，相应的解决方案有：

1) 使用流水线技术，在组合逻辑中插入寄存器，简化原有的逻辑结构；
2) 检查该路径是否是多周期路径，如果是，添加相应的多周期约束；
3) 具备良好的编码习惯，不要嵌套if 语句或if、case 语句，并且尽量用case 语句代替if 语句。

 

图5-14 逻辑级数太多的时序报告示意图

3．信号扇出过高及解决方案

高扇出会造成信号传输路径过长，从而降低时序性能。如图5-15 所示，附加的周期约束为3ns，而实际周期为3.927ns，其中网线的扇出已经高达187，从而导致布线时延达到3.003ns，占实际时延的77.64%。这种情况是任何设计所不能容忍的。

图5-15 扇出太高的时序报告示意图

相应的解决方案有：

1) 通过逻辑复制的方法来降低信号的高扇出，可在HDL 代码中手动复制或通过在综合工具中设置达到目的；
2) 可利用区域约束，将相关逻辑放置在一起，当然本方法仅限于高级用户。