Vivado工程经验与各种时序约束技巧分享

FPGA毕竟不是ASIC，对时序收敛的要求更加严格，本文主要介绍本人在工程中学习到的各种时序约束技巧。

首先强烈推荐阅读官方文档UG903和UG949，这是最重要的参考资料，没有之一。它提倡要在设计的早期阶段就要排除问题，越到后期时序的改善就越困难。其中HLS层次对性能的影响是最大的。

本文将从代码风格，时序修正，工程设置等几个方面介绍本人的实践经验，希望让各位初学者快速提高，也希望FPGAer能给出宝贵建议。

1. 代码风格

        推荐使用Xilinx language templates的代码块，这里的代码能够综合出正确且结构简洁的电路，包括移位寄存器，乘法，复数乘法，FIR滤波器等，凡是涉及到的模块尽量使用官方写法。

合理的设计代码框架。IO相关的代码、时钟管理单元尽量放在顶层，后者有助于以共享资源从而提高性能降低功耗。模块的输出最好是使用寄存器输出，有助于降低路径延时帮助时序收敛。

复位也是非常重要的问题。和ASIC不同，Xilinx FPGA的寄存器是高电平复位，支持异步复位和同步复位，但是DSP和BRAM内部的寄存器不支持异步复位。因此，官方更推荐设计采用高电平同步复位，可以降低资源的使用和功耗，有助于时序收敛。由于FPGA的初始状态是确定的（可以在定义说明中指定），为了更快地时序收敛，官方文档认为，能不用复位是最好的，尤其数据路径和移位寄存器的设计中。不过使用同步复位仍需要注意控制集不能太多的问题。关于这方面的内容，UG949第三章Control Signals and Control Sets给了详细的说明。

数学运算使用DSP单元速度会更快一些，根据DSP的结构重组数学运算，充分利用FPGA的DSP、BRAM资源。并且能做到对代码映射的硬件资源心里有数。

如果并不需要优先级，尽量将If语句转化为case语句。

尽量不要使用Don't Touch这类语句。如今Vivado综合工具已经很完善了，除非代码有问题或者手动复制寄存器，否则一般不会发生电路被综合掉的现象。使用这些语句会覆盖Vivado综合设置，导致电路没有得到充分的优化，给时序收敛造成困难。

2. 时序修正
  
       严格遵守Vivado开发流程，在第一次跑综合时最好是在没有任何物理约束的情况下，Vivado在越少物理约束的情况下综合出来的效果越好。查看每个阶段的时序报告，将每一阶段的时序违例控制在300ps以内，尽早消除问题。以前本人RTL Analysis阶段过了之后选择运行Implementation跳过Synthesis报告，这是不可取的行为。有时候会发现Synthesis有时序问题而在Implementation阶段反而没问题，这是因为Vivado在Implementation阶段对时序不满足的地方倾斜了更多的资源保证时序收敛。但是忽略Synthesis的时序问题会在后期顶层模块集成占用大资源时爆发出来。

下面介绍主要面对的两个时序问题的处理技巧。

1）setup time 建立时间问题

       建立时间是工程设计中最常遇到的问题了。一般说来，导致建立时间违例主要有两个原因：逻辑级数太大或者扇出太大。

打开Report Timing Summary界面查看路径延迟信息，如下图所示。

Levels指的是逻辑级数logic level，一个logic level的延迟对应的是一个LUT和一个Net的延迟，对于不同的器件，不同频率的设计能容纳的logic level是不同的。假设7系列的-2速度等级250MHz的设计，电路设计的大部分levels最好不要超过8，否则会造成时序收敛困难。

Logic level太大的处理方法就是重定时（Retiming）了，典型的重定时方法就是流水线，将过于冗长的组合逻辑增加寄存器进行打拍。

High Fanout指的是扇出，同样和器件、设计频率等有关，如下图所示：

降低扇出最好不要在综合设置中指定，过低的扇出限制会造成设计堵塞反而不利于时序收敛，最好的方法是根据设计中时序最差路径的扇出进行针对性的优化。如果是寄存器的输出扇出很大，可以使用max_fanout属性标记寄存器声明，也可以手动复制寄存器，具体可参考：https://blog.csdn.net/shshine/article/details/52451997

如果不是关键时序路径，而且高扇出网络直接连接到触发器，对扇出超过25K的net插入BUFG：
set_property CLOCK_BUFFER_TYPE BUFG [get_nets netName]

当然，也可以在后期Implementation的物理优化设置中优化扇出。

2）hold time 保持时间问题

       在实践中，我发现保持时间问题的问题往往是异步处理的问题。

对于一个信号的跨时钟域问题，一般使用双寄存器法（对于慢采快的结绳法这里不讨论）。为了降低MTBF（Mean Time Between Failures，平均无障碍时间），这两个寄存器最好位于同一个slice中。可以使用tcl语言指定，如：
set_property ASYNC_REG TRUE [get_cells [list sync0_reg sync1_reg]]

也可以直接在代码中指定：
(* ASYNC_REG = "TRUE" *) (* keep = "true" *)reg sync0_reg, sysnc1_reg;

也可以参考代码模板使用XPM模板进行处理。

多个信号一般是使用FIFO或者握手的方法，这里不再赘述原理。同步CDC处理比较复杂，本人打算之后另外写一篇文章详细讲述。

3. 工程设置

        Vivado综合实现本质是时序驱动的，和ISE不同，因此再也没有ISE那种用随机种子综合实现满足时序收敛的工具。不过Vivado在布局布线方面提供了几种不同的策略（directive），通过不同策略的组合可以产生上千种不同的布局布线结果，还可以使用tcl钩子脚本自定义布局布线过程，足以满足需求。而且，Vivado可支持同时运行多个Implementation，这为这种设计时间换取性能的方法提供了工具上的便利。

Implementation里Post-place Phys Opt Design和Post-route Phys Opt Design是没有使能的。工程后期使能这两个配置也能在一定程度上改善时序收敛。

FPGA工程师的工作不只是将电路功能实现，由于器件和工具不是理想的，所以还需要研究器件特性和工具的局限，尤其是在如今算法结构越来越成熟的背景下，不断被工具折磨，也许这也是FPGA工程师的悲哀吧。