FPGA Timing笔记

很多FPGA工程师都会遇到timing的问题，如何让FPGA跑到更快的处理频率是永久话题。决定FPGA的timing关键是什么？如何才能跑到更快的频率呢？

 

A. 第一步需要了解FPGA的timing路径：

图1.时序模型

在任何设计中最普通的时序路径有以下4种：

1 输入端口到内部时序单元路径；

2 从时序单元到时序单元之间的内部路径；

3 从内部时序单元到输出端口之间的路径；

4 输入端口到输出端口之间的路径；

 

 

B.第二步需要能够读懂FPGA的timing报告，从而找到影响timing的问题；

图2.时序路径报告

1. FPGA的工具都会有详细的timing report；从ISE的结果我们能看到是否满足timing？timing score的数字越大代表和预期结果偏差越大；

图3. Timing summary

通常大的FPGA设计中跑一次bit文件时间很长，为了能够一次把不满足的timing报告出来，首先需要将ISE的设置从默认的3更改为较大的数字（100,200等）；

图4.ISE map setting

2. 时序报告的阅读

• 通常时序单元（寄存器）之间的组合逻辑计算延时和布线时间是影响FPGA timing的关键。

• 其中组合逻辑计算和逻辑深度（级数）相关；而布线延时和信号的扇出大小、器件类型、版本的资源占用情况相关；

• 一般情况下图2中logic和route 都在50%附近是比较均衡的，也是比较理想的情况；

• 逻辑工程师能够通过阅读时序路径报告，找到代码中相应存在的时序问题；

• 最好结合timing analyzer 和FPGA editor 一起使用，能够直观看到路径走线，延时信息等；（点击蓝色路径即可）

• 时序路径报告通常按类分析

图5.时序分类

 

FPGA的Timing Part 2

• FPGA中影响时序的因素

 

我们知道FPGA和ASIC的区别之一是FPGA能够多次编程，而多次版本的结果是每次布线的结果都不尽相同，每次布线结果可以在FPGA editor 中查看。

随着FPGA器件规模和代码功能复杂度的提高，FPGA工程师在完成代码编写后，很可能相当大一部分精力是在完成bit file ，可测试的合格的加载文件首先需要满足Timing。影响时序的因素可以分为器件、工具和策略、设计和coding。

 

1. 器件：

本身的走线延时差异。FPGA根据器件的不同，速率等级的不同都会有响应的时序模型差异，图1是寄存器CLK to Q的在Kintex7 器件不同速率等级的差异，

红色框代表-3器件，也是最快的。这些参数在每款器件的datasheet都有详细的数值。图1只是一个举例，LUT的查表延时更为关键。

 

图1.器件手册延时信息

另外器件不同，FPGA本身的布线资源多少也不同；如果需要完成FPGA的P &R和同时满足时序，有足够的布线资源当然最好。然而布线资源并不像逻辑规模一样能够以LE or LC数目体现。我们知道Spartan6 的布线资源就比较紧张，一定程度上就限制了版本的资源占用率（Timing 要求高时）。

 

B．工具和策略：

我们知道FPGA的工具都有很多选项和设置，最容易理解的是area/speed/Balance ; 这些不同的设置能够影响到综合、布局、布线的效果。从而在不更改FPGA代码的前提下有效地影响timing；当然，工程师需要理解设置含义，否则不合理的设置会适得其反哦！

图2.ISE的综合设置

 

C. 设计和coding

组合逻辑的深度极大的影响FPGA的时序，这个比较容易理解；LUT or Slice的级数决定了关键路径。工程师coding的技巧和能力决定了整个代码timing的结果，如果写代码时能够联想到综合结果将RTL转化到电路的结构，Slice的占用情况；Timing 一定很好了，^_^ 请大家平时积累设计技巧和方法!

 

• 改善FPGA时序的Tips

 

我们知道很多方法可以改变时序，比如优化代码，改变综合策略等。下面一起讨论比较通用的改善时序的Tips：

1. 一般情况下对时序影响最大的有 “更改RTL代码 – 改变综合策略（选项） – 改变布局布线策略 – 更改约束文件”；

2. 工具选择：

FPGA工具：xilinx目前有ISE和Vivado，对于大的设计和28nm器件工具本身的效率和算法改善会极大的影响布线结果。图3是很早的布线结果对比，对比很直观明显。

图3. ISE VS vivado 布线结果对比

第三方综合工具：

在V5-V6的时代，第三方综合工具synplify等综合结果对时序的改善还是很明显的。这里可能是因为synplify等在综合时有时序约束信息的导入。目前vivado同样在综合时同样有时序概念，个别设计第三方工具改善效果不明显了。

 

3. 改善关键信号的扇出；

A. 对于信号的大扇出在复杂的设计中非常容易出现，大扇出的存在首先影响到时序，其次会影响布线时间，引起congestion. 大扇出首先会引起布线延迟的增加，成为工具分析的关键路径，改善大扇出信号首先通过工具。

B. 另外通过手工RTL复制寄存器的方法最为有效、直接。

 

4. 分析工程时序约束是否合理；

FPGA工程师首先要明确时序约束是否合理，一般情况下不要过约束时钟频率。

另外设计本身是否能够放松部分路径，设置multi- cycle / false path,这样能够释放布线资源解决关键路径。

5. 改善clock uncertainty；

A. 锁相环的VCO越高越能够有效减小clock uncertainty；

B. 当锁相环输出多路时钟时，较高的时钟设置在clk_out1;

C. 锁相环抖动option设置为 输出最小抖动模式；

 

• 改善FPGA时序的Tips

   

 

A．代码的写法、多用寄存器pipeline；

随着FPGA规模越来越大，寄存器资源更是成倍增长；当设计时尽量能够充分pipeline，尤其是关键模块之间，关键信号和大位宽信号的多级延时能够有效改善时序。

Remember FFs are cheapin the FPGA. Timing closure is not!

 

图1.代码没有充分pileline是不会工作到高频率

 

B．FPGA尽量使用硬核资源；

工程师实现功能时，尽可能使用硬核资源，如BRAM、DspSlice等；这些硬核具有内置pipeline，不占用额外布线资源，而且运行速度比逻辑快得多。

 

C．当不满足时序时，通过多线程的方法尽快找到最佳策略；

Vivado工具能够支持多核多线程，如果您的电脑是多核；可以同时运行综合和布局布线的多个策略，这样能够快速时序收敛。

图2.vivado不同策略 create New Runs

 

D．IP、硬核的设置；

图3. IP FIR的优化选项

 

E． 关于代码复位原则，能同步复位不用异步复位，能不用复位尽量不复位。通过寄存器初值设定；如果复位，则是高复位。

附：目的是减少布线资源使用，减少额外LUT的使用。这一点在xilinx 推荐的代码规范中都会介绍。

 

F． 尽量减少高级约束语句，如区域约束的Pblock；

高级约束语句，From To 、Pblock等优先级很高；在一定程度上能够改善时序，但如果版本增加很多高级约束，则会影响布局布线的效果，反而会恶化整个版本的时序。

 

G.硬件设计对Timing的影响

随着FPGA越来越大，跨bank之间的走线延迟也会增加。在硬件设计时，FPGA工程师需要使用Floorplan 来查看数据流的走向，按照数据流来分配FPGA的管脚；这样能够提升IO 接口的Timing；

在设计初期经常打开底层还能有效降低额外走线延迟，FPGA目前有很多硬核，如PCI-E、PowerPC 、MCB、ARM等；这些硬核会影响信号的走线的，请务必注意。

图4.充分利用工具的IO plan 和Floor plan

 

Timing几个问题和解决方法：

 

• 布线看起来走线很短，但延迟很大，可能性？

  A. 布线收到了硬核的影响，布线需要绕过硬核；一般是不合理的pinout引起；

图1.硬核对布线的影响

B． 在资源占用尤其大的情况下，工具为了解决congestion 也会弯曲走线；

 

 

• 版本有chipscope 测试功能正常，去掉chipscope反而出现功能不稳定，可能性?

很多客户测试都会增加探针来测试，方便定位代码bug；加入探针前后客户测试功能会有异常，于是客户对布局布线有一定怀疑。

A. 是否加入chipscope 会引起布局布线的变化，如果时序满足约束；首先要检查设计是否有异步设计存在风险？ 因为大家知道跨时钟域的代码是通过设计来保证的，工具不能够正常分析。

B.重点检查接口代码是否存在设计的不可靠性；

 

 

• 一个很大的设计布线完成，但存在较小的Timing score，是否有办法解决？

A. 对于大的设计，工具的布局布线往往占用工程师很多精力；很多情况下，布局布线会存在很少不满足的路径。这类路径经常出现在接口上，对于不满足Timing的bit文件，测试也会觉得不可靠，是否有版本尽快的close Timing呢 ？

1. 首先使用FPGA editor 打开不满足的时序的post place and Route的设计； 

图2.FPGA editor 找到fail 路径

2.找到接口中不满足Timing路径的寄存器或Slice或BRAM;

3.通过阅读时序信息，手工布局布线拖动位置（多次尝试）；

4.Tool – DRC – Timing Report （修改布线位置后的Timing结果）；

5.如果DRC检查ok， Timing 结果满足；FPGA editor直接可以 Run bitgen；

这样做的好处是能够很快的（几分钟）产生需要测试的版本。

 

 

• 时序满足，功能不正常，有哪些可能性？

通常FPGA时序分析和仿真是前仿真也称为功能仿真；前仿真不带有时序信息，所以存在一定的布局布线不正常的可能性；如果出现上述问题，建议可以使用后仿真也就是时序仿真，这样的功能测试最为可靠、准确，因为带有布局布线的时序信息。

 

 

Intro

问：一个FPGA设计项目需要用哪些评判标准来检验？

1. 功能正确；
2. 时序收敛；
3. 资源消耗少。

时序收敛，即Timing Closure，意思是使设计的各项时序指标能满足设计前所制定要求。因此，整个过程分为两部分：

1. 制定时序要求
2. 满足时序要求

Timing Constraints Classes

制定时序要求通常是由整个系统电路的外部环境来决定的，比如：

• 整个电路系统提供给FPGA的时钟速度为多快
• FPGA输入数据是同步信号还是异步信号以及它的频率
• FPGA输出数据所需的频率
• 输入/输出数据与时钟的相位关系

总结以上各种需求情况，得出FPGA芯片对外的三种时序约束：

• Period（时钟周期约束）：约束用同一时钟驱动的寄存器（或同步器件）所能使用的最低时钟频率来保证FPGA内部同步信号的采样时间与保持时间。
• Offset：约束用时钟采样数据（offset in）或用时钟打出数据（offset out）时时钟与数据的相位差来保证FPGA采样数据的建立时间与下一级芯片得到数据的采样时间。
• Pad to Pad：当输入数据进入FPGA后没有经过任何同步器件（即由时钟驱动的器件如寄存器、BRAM等），只经过组合逻辑后就输出片外时，Pad to Pad的From…To..约束用以保证内部的延迟时间。

有了以上三种约束类型，就可以描述外界的任何可能条件，并清楚的对最终设计需要满足的时序要求作出说明，FPGA实现工具就会依据此要求进行布局布线，并试图满足要求。Xilinx有许多文档对怎样书写时序约束进行了说明。在此要强调的一点是：时序约束首先是对外界环境的一个反映，其次才是对布局布线工具的要求。时序约束向工具说明上游器件所给的信号是怎样的，下游器件又要求怎样的输入，FPGA实现工具才好依照此标准来综合、布局、布线，时序收敛的设计才可能在真正的电路环境中正常工作。

Timing Constraint File

这里有一个误区需要澄清：多数人认为Timing约束是写在UCF文件中的，其实UCF中的Timing约束只有在布局布线过程中才起作用。为了达到最好的时序性能，我们应该从综合开始就使用约束。不管是Xilinx XST，还是Synplify或者其他综合工具都可以添加时序约束。在综合过程就添加时序约束可以使综合器努力综合出合适的网表，这样在布局布线时就更容易满足时序要求了。

Debug

设计时序不收敛通常有以下的现象：

• par报告布线完成，但是有timing error；
• par报告由于不可能达到时序收敛而停止布局布线；
• Timing Analyzer报告显示设计的timing score不为0；
• 实际电路板上给定时钟速率FPGA工作不正常，降低时钟速率FPGA工作正常

如果降低时钟速率能让FPGA工作正常，而Timing报告又没有显示时序错误，那么有足够的理由怀疑时序约束没有完全约束到所有片内路径，需要仔细研究并完整约束整个设计。

那么设计中的Timing Error我们该怎么解决呢？ 最简单的，两眼一抹黑，让工具解决：把map, par等工具的effor level提到最高，但通常情况下对结果的提升是不明显的。我们需要有选择地针对不同的情况使用不同的方法。以下来分析几种常见的情况：

Timing报告显示某一段net走线延时特别长

通过在FPGA Cross Probing中找到这根net。如果输入输出距离的确比较长，那么是由于Place问题造成的，要解决Place问题，需要检查为什么工具会把两个LUT/FF放得那么远，是相关的逻辑布局问题，还是因为引脚锁定导致无法移动逻辑的问题。

常用的解决方法可以对前级寄存器做复制寄存器的操作。参考Xilinx AR9410。

如果是因为输入/输出端连接的寄存器被Pack到IOB中导致寄存器无法移动，那么可以使用IOB=false约束将寄存器放在Slice Logic中。

Timing报告显示逻辑层次比较多，而这些层次中没有延时特别长的

如果是LUT到LUT的层次太多，那么可以先使用XST的register balancing功能。如果还是无法满足，可能需要手动调整组合逻辑，在中间插一级寄存器，并修改其他相关的代码，使得相关数据的latency一致。其他方法参考Xilinx AR9417。

如果是进位链太长，那么就要考虑使用两个小一点的计数器/加法器级联。当考虑到进位逻辑是纵向排列的，当超出一列时，进位会导致延时变长很多时，更需要注意进位链的长度。

如果是BRAM到后续FF的延时比较长，那么考虑几种情况：

• BRAM的输出直接驱动FF，而且目标频率比较高，比如400-500MHz。为降低这段从BRAM到FF的TCO延时，那么应该使用BRAM Primitive内部的寄存器
• BRAM的输出经过一些组合逻辑后驱动FF，而且目标频率比较低，<300MHz。为了将BRAM的TCO从这段路径中去除，应该在使用CoreGen生成BRAM时选择输出寄存器在Core中而不用Primitive的。
• 如果目标频率又高，BRAM输出又经过了LUT再驱动FF，那么Primitive和Core中的寄存器最好都使用。这样既降低TCO，又缓解后续逻辑的时序要求。

参考Xilinx AR9412。

Hold Violation

Hold Violation通常都是由Gated Clock引起。检查设计中没有使用门控时钟。门控时钟通常会由计数器分频产生。尽量都使用FPGA提供的时钟资源，尽量使用DCM做deskew。

Offset约束不满足

首先必须保证offset写得是正确的。

然后保证输入/输出数据一进FPGA就用寄存器打一拍，中间不要加组合逻辑。寄存器Pack到IOB中能最大限度得保证Offset约束被满足。（同理，如上所述，不把寄存器放在IOB中将有利于Period约束。）

如果还是满足不了，可能需要调整一下时钟和数据的相位。可以使用DCM Phase Shift调整时钟相位或IDELAY调整数据相位。

在制定Pinout时可以有意地将一组总线按内部IOB的位置排列，低有效位在下方，高有效位在上方，而不是按外部Pinout的位置排列。

如果以上方法都已经使用并且离目标还差一点点，那么可以试图使用工具的某些属性，比如：

map 
  * Timing Driven Packing
  * Effort Level, Extra Effort
  * Global Optimization
  * Allow Logic Optimize Across Hierarchy
  * Combinational Logic Optimization
  * Cost Table
par 
  * Effort Level
  * Extra Effort

也可以使用MPPR或Xplorer跑多次实现挑最好的结果。

如果所有的尝试都无法满足先前制定的时序目标，那么可能是时候重新考虑一下目标是否合理了。