降低时序报告中逻辑延迟的方法

1. 引言

在FPGA逻辑电路设计中，FPGA设计能达到的最高性能往往由以下因素决定：

▪ 工作时钟偏移和时钟不确定性；

▪ 逻辑延迟：在一个时钟周期内信号经过的逻辑量；

▪ 网络或路径延迟：Vivado布局布线后引入的延迟量。

Vivado软件完成布局布线后，我们可以打开时序分析报告，来查看时序没有过的路径是由哪些因素导致的时序违规。Vivado会通过列表形式展示每条时序违规路径的信息，如下图所示。

双击上面表中的其中一条路径，会展开关于该路径更详细的时序报告，如下图：

上图这个时序违例的例子，可以看到，该路径逻辑延迟贡献了11.934%的延迟量、路径延迟贡献了88.066%延迟量。该路径逻辑级数为5，经过了2个CARRY4、1个LUT4和2个LUT6。

2. 降低逻辑延迟的方法

如果逻辑延迟大，我们需要查看该路径是不是只包含CLB器件，还是说该路径还经过了如DSP、RAMB、URAM、FIFO或GT等器件。

2.1 路径只包含CLB器件

常规布线路径是在寄存器（FD*）或移位寄存器（SRL*）之间的路径，它们经过一些 LUT、MUXF 和 CARRY 元件。通常会遇到以下几种情形导致逻辑延迟过大：

(1)较高逻辑层数(logic levels)的组合电路。用户在两个寄存器之间插入的组合逻辑过于复杂，级联了过多的LUT、CARRY等元件，导致逻辑延迟过高时序过不了。如下图中，两个寄存器之间有一个logic levels为5层的组合逻辑。

建议的解决方案： 在设计的早期阶段，通过TCL命令“report_qor_assessment”，早些识别出逻辑层数较高组合逻辑，通过代码优化手段来降低逻辑层次。或者，在综合的时候，将“-retiming”全局变量勾选上。

(2)路径上有很多小的级联LUT（LUT1-LUT4）。这些多个小的级联查找表是可以被合并成数量更少的LUT的。阻止这些级联LUT合并的原因可能如下：

• 有些小的LUT表存在一些扇出(扇出为10，或者更高)；
• 用户使用了一些properties语法，比如：KEEP、KEEP_HIERARCHY、DON’T_TOUCH或MARK_DEBUG。

建议的解决方案： 移除掉这些properties语法，重新编译综合工程。

(3)路径上有单个CARRY(非级联)限制了LUT的优化，导致vivado布局也不是最优。

建议的解决方案： 在综合的时候，使用“FewerCarryChains”综合指令。或者对该CELL在opt_design阶段设置CARRY_REMAP属性。(具体使用方法可以查看UG904)

2.2 路径包含其他复杂器件（DSP、RAM等）

如果时序路径上会经过宏原语元件(macro primitives)如DSP、RAM、URAM、FIFO或GT_CHANNEL等元件，布局布线的难度会加大，也会导致更高的布局布线延迟。降低这些路径的逻辑延迟方法如下：

(1)在进出宏原语元件电路周围，增加额外的流水结构。比如：

• 原设计是用的一个大位宽RAM缓存数据，把这个大位宽RAM拆分成多个并行的小位宽RAM实现相同的功能。
• 原设计乘法器为2级流水乘法器，把它改为2级以上的流水乘法器。
• 数据进出宏原语元件时，都用寄存器打一拍等。

(2)在包含宏原语元件的路径上减少逻辑层数，这点对改善整个设计的性能提升很明显。

Tips: 在修改RTL之前，可以尝试把DSP、RAM、URAM的自带流水寄存器使能都打开，然后重新编译工程，看时序是否能有改善。比如将下面这条路径：

设置如下属性：

set_property -dict {DOA_REG 1 DOB REG 1} [get_cells xx/ramb18_inst]

注意，由于使能这些寄存器后，逻辑时序会有变动，此时的RTL功能和你原先设计是有出入的，所以不用生成bitstream，这样操作的目的只是为了看时序能如何改善。

3. 总结

本文主要介绍了如何减少时序报告中的逻辑延迟，下期文章我们将向大家介绍如何降低路径延迟的方法。如果觉得我们原创或引用的文章写的还不错，帮忙点赞和推荐吧，谢谢您的关注。