在FPGA開發設計中，我們可能會經歷由于資源占用過高的情況，例如BRAM、LUT和URAM等關鍵資源利用率達到或超過80%，此時出現時序違例是常有的事，甚至由于擁塞導致布線失敗，整個FPGA工程面臨無法生成bit文件的危險。

那么，有沒有辦法來解決這類問題呢？

此類問題是FPGA設計實現中比較棘手的問題，Xilinx針對7系列及以后的UltraScale/UltraScale+等，提出了UltraFast設計方法論，用于指導該系列器件的成功設計和實現，完成復雜系統設計。

時序收斂是指設計滿足所有的時序要求。針對綜合采用正確的 HDL 和約束條件就能更易于實現時序收斂。通過選擇更合適的 HDL、約束和綜合選項，經過多個綜合階段進行迭代同樣至關重要，如下圖所示。

Xilinx提出的實現快速收斂的設計方法論

FPGA布線擁塞怎么辦？

如果關鍵路徑在擁塞區域內或者緊鄰擁塞區域，或者是資源利用率較高，都會導致時序收斂困難。在很多情況下，擁塞會消耗大量的布線時間，甚至布線失敗。如果布線延遲顯著大于預期值，那么我們就得考慮降低設計的擁塞程度。

在確保時序約束和物理約束正確的情況下，我們可以通過以下方法解決擁塞問題。

1.擁塞類型

Xilinx FPGA布線結構包括東、南、西、北共4個方向不同長度的互聯資源。擁塞區域以最小的正方形體現，這個正方形覆蓋了相鄰的互聯資源或CLB單元。

“Device”視圖中的擁塞等級和擁塞區域

擁塞包括3種類型：全局擁塞、短線擁塞和長線擁塞。

擁塞類型

2.生成設計擁塞報告

為了檢查擁塞程度，我們可以基于布局之后生成的DCP，通過以下Tcl命令生成設計擁塞報告。

?

report_design_analysis -congestion -name cong

?

分析擁塞時，工具報告的等級可按下表所示方式進行分類。擁塞等級為 5 或更高時，通常會影響 QoR 并且必然會導致布線器運行時間延長。

為幫助識別擁塞，Report Design Analysis命令支持生成擁塞報告以顯示器件的擁塞區域，以及這些區域內存在的設計模塊的名稱。此報告中的擁塞表會顯示布局器和布線器算法發現的擁塞區域。下圖顯示了擁塞表示例。

擁塞表

“Placed Maximum”、“Initial Estimated Router Congestion”和“Router Maximum”擁塞表可提供有關東西南北四個方向上擁塞最嚴重的區域的信息。選中該表中的窗口時，在“Device”窗口中會突出顯示對應的擁塞區域。

3.生成設計復雜性報告

我們也可以通過設計復雜性報告來預判是否出現擁塞。我們可以對布局生成的DCP,通過以下Tcl命令生成設計復雜度報告。

?

report_design_analysis -complexity -name comp

?

復雜性報告 (Complexity Report) 可按頂層設計和/或層級單元的葉節點單元的類型顯示 Rent 指數 (Rent Exponent)、平均扇出 (Average Fanout) 和分布方式。Rent 指數是指在使用min-cut算法以遞歸形式對設計進行分區時，網表分區的端口數量和單元數量之間的關系。其計算方法與在全局布局期間布局器所使用的算法類似。因此，它可準確表明布局器所面臨的困難，當設計的層級與在全局布局期間所發現的物理分區匹配良好時尤其如此。

Rent 指數較高的設計表示此類設計中包含邏輯緊密相連的分組，并且這些分組與其它分組同樣連接緊密。這通常可理解為全局布線資源利用率較高并且布線復雜性也更高。此報告中提供的 Rent 指數是根據未布局和未布線的網表來計算的。完成布局后，相同設計的 Rent 指數可能改變，因為它基于物理分區而不是邏輯分區。

?復雜性報告

Rent 指數的典型范圍

“平均扇出”典型范圍

4.解決擁塞問題

根據前文所述造成擁塞的原因，我們可以采用以下辦法解決布線擁塞問題。

擁塞原因1：過多的MUXF（將MUXF轉化為LUT）

方法1：利用模塊化綜合技術，對特定模式設置MUXF_REMAPPING：

?

set_property?BLOCK_SYNTH.MUXF_MAPPING?1?[get_cells?top/instance]

?

方法2：在opt_design階段使用-remap選項：

?

opt_design -mux_remap -remap

?

方法3：針對特定MUXF設置MUXF_REMAP屬性為ture

?

set_property MUXF_REMAP 1 [get_cells -hier-filter {NAME=~ cpu*&& REF_NAME=~MUXF*}]

?

擁塞原因2：過長的進位鏈（將進位鏈轉化為LUT）

方法1：在opt_design階段使用-remap選項：

?

opt_design -carry_remap -remap

?

方法2：針對特定MUXF設置CARRY_REMAP屬性

?

set_property?CARRY_REMAP?2?[get_cells?-hier-filter?{?REF_NAME==CARRY8}]

?

擁塞原因3：過多的控制集（合并控制集）

方法1：利用模塊化綜合技術，對特定模式設置CONTROL_SET_THRESHOLD：

?

set_property?BLOCK_SYNTH.?CONTROL_SET_THRESHOLD?10?[get_cells?top/instance]

?

方法2：在opt_design階段，使用-control_set_merge合并等效控制集

?

opt_design -control_set_merge

?

方法3：在opt_design階段，使用merge_equivalent_drivers合并等效控制集，包括非控制邏輯

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opt_design -merge_equivalent_drivers

?

擁塞原因4：過多的LUT整合（阻止LUT整合）

方法1：利用模塊化綜合技術，對特定模式設置LUT_COMBINING：

?

set_property BLOCK_SYNTH. LUT_COMBINING 0 [get_cells top/instance]

?

方法2：設定LUT的LUTNM屬性為空：

?

set_property LUTNM “”[get_cells hier-filter {REF_NAME =~LUT*&& NAME=~*/inst/*}]

?

在綜合階段，除了使用以上的方法外，對于IP，我們最好采用OOC的綜合方式。

在實現階段，可以選擇適當的實現策略來緩解擁塞。對于UltraScale系列芯片，可嘗試采用“Congestion_*”策略緩解擁塞；對于UltraScale+系列芯片，可嘗試采用“performance_NetDelay_*” 策略緩解擁塞。如下圖所示。

實現時解決擁塞策略

當然，我們也嘗試采用“performance_ExtraTimingOpt” 策略進行時序優化，但可能無法解決擁塞問題。

你在FPGA布局布線過程中，遇到哪些問題呢？歡迎分享或留言。

審核編輯：劉清