FPGA實戰開發技巧（6）

5.3.3.2 提高時序性能的手段

時序性能是FPGA 設計最重要的指標之一。造成時序性能差的根本原因有很多，但其直接原因可分為三類：布局較差、邏輯級數過多以及信號扇出過高。下面通過時序分析實例來定位原因并給出相應的解決方案。

1．布局太差及解決方案

圖5-13 所示時序報告，其中附加的周圍約束為3ns，實際周期為3.027ns，邏輯時間只有0.869ns，而布線延遲竟達到2.203ns，很明顯失敗的原因就是布局太差。

圖5-13 布局太差的時序報告示意圖

相應的解決方案有：

1) 在ISE 布局工具中調整布局的努力程度(effort level) ；
2) 利用布局布線工具的特別努力程度(extra effort) 或MPPR 選項；
3) 如果用戶熟悉區域約束，則利用Floorplanner 相對區域約束(RLOC)，重新對設計進行布局規劃。

2．邏輯級數過多及解決方案

在FPGA 設計中，邏輯級數越高，意味著資源的利用率就越高，但對設計工作頻率的影響也越大。在圖5-5所示的例子中，附加的周圍約束為3ns，實際周期為3.205ns，邏輯時間為1.307ns，已經對設計的實際性能造成了一定的影響。對于這種情況，ISE 實現工具是沒有任何改善的，必須通過修改代碼來提高性能，相應的解決方案有：

1) 使用流水線技術，在組合邏輯中插入寄存器，簡化原有的邏輯結構；
2) 檢查該路徑是否是多周期路徑，如果是，添加相應的多周期約束；
3) 具備良好的編碼習慣，不要嵌套if 語句或if、case 語句，并且盡量用case 語句代替if 語句。

圖5-14 邏輯級數太多的時序報告示意圖

3．信號扇出過高及解決方案

高扇出會造成信號傳輸路徑過長，從而降低時序性能。如圖5-15 所示，附加的周期約束為3ns，而實際周期為3.927ns，其中網線的扇出已經高達187，從而導致布線時延達到3.003ns，占實際時延的77.64%。這種情況是任何設計所不能容忍的。

圖5-15 扇出太高的時序報告示意圖

相應的解決方案有：

1) 通過邏輯復制的方法來降低信號的高扇出，可在HDL 代碼中手動復制或通過在綜合工具中設置達到目的；
2) 可利用區域約束，將相關邏輯放置在一起，當然本方法僅限于高級用戶。