唠一唠解决FPGA约束中时序不收敛的问题

FPGA时序不收敛，会出现很多随机性问题，上板测试大概率各种跑飞，而且不好调试定位原因，所以在上板测试前，先优化时序，再上板。

今天我们就来唠一唠解决时序不收敛的问题，分享一些常用的解决办法和思路。

一、模块运行时钟频率

设计模块前，需明确模块运行的最大时钟频率。

不同时钟频率下，对应的时序约束最大延时是不一样的。

比如100MHz时钟下运行的HDL逻辑，比200MHz时钟下的HDL逻辑，支持的组合逻辑层数多。

根据最大时钟频率，来设计HDL代码的层级，时钟频率越高，插入寄存器要更多，增加流水线级数，减少过长的组合逻辑。

二、HDL代码

1、HDL代码风格

优先参考FPGA开发软件提供的HDL Template，比如Vivado的language template。

2、HDL代码逻辑优化

对于复杂的算法代码逻辑，需要结合FPGA并行计算和最小处理单位为bit的特性，对逻辑代码进行优化实现。

明确变量最大的数据位宽。

逻辑代码中，一些软件逻辑实现起来较复杂，尽量简化，删除掉一些不可能出现的情况。

这部分代码逻辑，可能需要重复迭代几遍实现才行。

三、组合逻辑层数

1、插入寄存器

将计算逻辑分成多个时钟周期实现，这是常用的时序优化方法，可以减少过多的组合逻辑层数，但会增加延时。

这里以一个多路输入求和计算为例

增加寄存器后，改为

2、逻辑展平设计

优化代码中优先级译码电路逻辑，主要出现在IF/ELSE结构语句中，这样逻辑结构被展平，路径延迟得以缩短。

IF ELSE结构语句存在明显的优先级，建议尽量用CASE语句来替代。

3、防止变量被优化

HDL综合布线软件会根据实际情况，自动优化代码逻辑，可能存在将多个不同寄存器变量合并成一个寄存器变量的情况。

对于不希望被优化的变量，可以在变量定义前，添加（* keep = "ture" *）

四、高扇出

高扇出问题，原因是一个寄存器驱动后级数超过了它本身的驱动能力，导致延迟时间过大，不满足时序。

1、使用max_fanout

在变量定义前，可以添加(* max_fanout = n *)，来设置变量的最大扇出数，超过这个扇出数，综合软件会自动复制多份变量。

2、复位信号高扇出

复位信号是常见的高扇出问题，主要解决办法有：

（1）减少复位信号的使用，能使用使能信号控制的，就用使能信号。

（2）对于大型模块，复位信号可以使用BUFG来驱动复位信号，可以增加复位信号的驱动能力

五、资源消耗

FPGA器件的整个工程资源消耗，不管是LUT还是BRAM等资源，建议不超过80%。

一旦资源消耗超过80%，在布线综合时，就出现布线资源不够，导致出现布线拥塞，从而出现了时序不收敛的情况。

布线拥塞也分为全局拥塞和局部拥塞，可能是高扇出信号过多，也可能是局部布线资源不够用，导致时序路径过长。

1、优化代码逻辑，减少资源消耗。

在资源不够用的情况下，建议检查代码是否可优化，设置的RAM大小是否过大等等。

2、使用替代资源实现

在FPGA中实现RAM时，可以根据整个资源的使用情况，考虑使用Distributed RAM、URAM等资源来减少BRAM的消耗。

六、总结

本文分享了时序收敛的一些方法和思路，希望可以给大家带来一点启发。