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6.6??增量式設計（Incremental?Design）技巧
本節(jié)將對ISE下增量式設計做一個全面的介紹。FPGA作為一種現(xiàn)場可編程邏輯器件，其現(xiàn)場可重編程特性能夠提高調試速度。每次硬件工程師可以很方便地改變設計，重新進行綜合、實現(xiàn)、布局布線，并對整個設計重新編程。
然而當設計算法比較復雜時，每一次綜合、實現(xiàn)、布局布線需要花很長的時間。即使僅僅改變設計中的一點，也會使綜合編譯的時間成倍增加。而且更為麻煩的是如果整個工程的運行頻率很高，對時序的要求也很嚴格，這樣重新布線往往會造成整個時序錯亂。
運用增量式設計可以有效地解決這一問題。一方面大大節(jié)約綜合、布局布線的耗時，另一方面可以繼承前一設計中已有的成果，是一種比較常用的設計流程。
6.6.1??增量式設計的必要性
增量式設計（Incremental?Design）方法是一種能在小范圍改動情況下節(jié)約綜合、實現(xiàn)時間并繼承以往設計成果的設計手段。作為一個流程，增量設計能夠極大地減小布局布線時間，并且當對一個近似完整的設計作小的變動，可以保持整個系統(tǒng)的性能。
在增量設計中每一個邏輯分組在Xilinx的FPGA里受到約束以使之只占有自己的空間。在設計中，對當對其中之一的邏輯分組做改動時，一個增量設計流程可以確保未做改動的邏輯分組在進行綜合輸出時不變化。接著布線工具對改動了的邏輯分組重新進行布局布線，而未改動的邏輯分組則繼續(xù)以前的布局布線結果，這使得整個設計的布局布線時間得以削減。
增量式設計對一處復雜的設計來說是非常必要的，主要是因為增量式設計有以下兩個方面的優(yōu)點。
1．減小綜合、布局布線的耗時
當僅對大型設計工程的局部進行改動時，增量設計流程僅僅改動的部分重新編譯，如果改動模塊的接口設計恰當，將不會影響其余部分的綜合與實現(xiàn)結果，布局布線時也只對改動部分重新布線，未改動的部分保持不變，從而節(jié)約了整個編譯、布局布線與優(yōu)化的耗時。
2．能夠很好地繼承未修改區(qū)域的實現(xiàn)成果
這一點對于對時序要求很嚴格的設計來說是很有用的。如果一個設計經過多次調試，附加合適的約束，設置恰當?shù)膮?shù)達到了最佳實現(xiàn)成果。但是因為對某個細節(jié)進行了修改，就需要全部重新綜合、布局布線，這樣可能前面所做的精心調整工作都無效了。
通過增量式設計，可以解決這一問題。對于已達到設計要求的部分將其保持不變，僅對修改的部分重新編譯、布局布線，從而保證在最大程度上繼承以往的實現(xiàn)結果。
6.6.2??增量設計流程
具體的增量設計流程如圖6.29所示。
增量設計的流程可歸納如下。
1．創(chuàng)建邏輯分組（Create?Logic?Group）
在增量設計中為了實現(xiàn)減小綜合、布局布線耗時，極大程度地繼承未修改區(qū)域的成果，必須要求將設計分成多個邏輯分組。每個邏輯分組應該分配一定的邏輯區(qū)域，當某一邏輯分組的內容發(fā)生改變時，增量設計可以在該邏輯分組分配的邏輯區(qū)域內對其進行重新綜合和布局布線，而不會影響到其他的邏輯分組。
所謂“邏輯分組”，是惟一的邏輯層次中的若干邏輯實體的劃分。比如在頂層邏輯層次中每個子模塊即為一個邏輯分組。在代碼中即為頂層中“module（Verilog）”和“entity（VHDL）”定義的子模塊的實體。在一個設計中往往將實現(xiàn)的不同功能設置為不同的模塊，然后在一個頂層模塊中實例化所有這些不同功能的模塊，從而實現(xiàn)一個完整的功能，那么這些不同功能的模塊就可以看作是不同的邏輯分組。
在進行邏輯分組時，需要考慮以下因素。
（1）設計中所有邏輯除了IOB和時鐘邏輯，都應該包含在邏輯分組當中。
（2）頂層模塊不應該包含復雜邏輯，僅僅包含一些I/O定義、時鐘分配邏輯和所有子模塊的實例化，直正的功能實體用子模塊的邏輯描述。增量設計方法希望將所有的邏輯實體分割到子模塊中去，而頂層模塊不含任何實際的邏輯功能，以便于做相應的區(qū)域約束。
頂層包含實際邏輯功能的缺點在于：當頂層改變時，相關的Logic?Group的接口將發(fā)生變化，從而影響Logic?Group的結構，在做編譯和布局布線時，會影響增量設計的效能。
（3）邏輯模塊分組必須以寄存器輸出，即用寄存器分割模塊。這一點其實不僅僅是增量設計的需求，也是合理劃分模塊的一個基本要求。
如果采用同步時序方式設計電路，用寄存器分割邏輯模塊，模塊間的接口盡量簡單，則時序優(yōu)化路徑集中在同一模塊內部而不是模塊之間的邊界上。這樣能夠使綜合器完整地掌握需要時序優(yōu)化的路徑，從而避免了因一個模塊內部改變而通過邊界影響到其他模塊的時序這種不利于增量設計的情況發(fā)生。
（4）每個邏輯分組為其附加區(qū)域分組約束。
2．增量綜合（Incremental?Synthesis）
所謂增量綜合是指只有改變的部分重新綜合，而對未改變部分保持原有的綜合結果的一種綜合技術。傳統(tǒng)的綜合技術即使有微小的改動，也會對整個設計重新綜合。
如果要實現(xiàn)增量綜合必須對綜合工具做相應的設置。在這里主要講述ISE自帶綜合工具XST是如何實現(xiàn)增量綜合的，對于其他綜合工具如：Synplify/Synplify?Pro和Leonardo?Spectrum綜合工具，在這里不做詳細介紹。
XST支持單一工程的模塊級增量綜合（BLSI）。實現(xiàn)的方法為在XST的約束文件（擴展名為xcf）中附加邏輯分組約束，從而告知XST?Logic?Group的邊界。
XST在綜合時，所有的編譯與優(yōu)化都不超越用戶在XCF文件中約定的Logic?Group的邊界，以達到在細微修改后僅僅對Logic?Group內部進行重新綜合的目的。這樣一個邏輯分組HDL源代碼的改變就不會對其他邏輯分組造成影響。
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對于VHDL來說，XST可以自動檢測出哪一個邏輯分組的內容發(fā)生了改變。但對于Verilog來說，必須應用“resynthesize”屬性。例如下面就是一個邏輯分組A的Verilog源代碼發(fā)生細微的改變時的XCF文件范例。
MODEL?"top"?incremental_synthesis?=?yes;? //對top使能增量設計
MODEL?"A"?incremental_synthesis?=?yes; //對A使能增量設計
MODEL?"B"?incremental_synthesis?=?yes; //對B使能增量設計
MODEL?"C"?incremental_synthesis?=?yes; //對C使能增量設計
MODEL?"top"?resynthesize?=?no; //通知綜合工具哪個模塊發(fā)生改變
MODEL?"A"?resynthesize?=?yes; //no為未改變，yes為已改變
MODEL?"B"?resynthesize?=?no;
MODEL?"C"?resynthesize=?no;
對于Verilog設計工程，當某一邏輯分組發(fā)生改變時，要為其附加相應的綜合約束，才能實現(xiàn)增量綜合。
另外需要注意的問題是，增量綜合是在保留結構層次模式（Keep?Hierarchy）下完成的，在進行增量綜合時，在“Processes?for?Source”中選擇“Synthesize-XST”，單擊右鍵，設置綜合屬性如圖6.30所示。
如圖6.30所示，要完成增量綜合，要完成兩種設置，選擇“Keep?Hierarchy”設置為YES或Soft，選擇“Synthesis?Constraints?File”設置綜合約束文件的路徑。
增量綜合后，需要檢查綜合報告。
圖6.30??增量綜合屬性設置對話框
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3．創(chuàng)建區(qū)域分組約束
創(chuàng)建區(qū)域分組約束是增量設計中最重要的一步。區(qū)域分組約束做得不好會增加綜合、布局布線耗時，甚至有可能導致布局布線無法完成。區(qū)域分組約束的創(chuàng)建是利用ISE下的PACE工具，在PACE下完成區(qū)域分組約束后，ISE會自動將其寫入UCF文件中。
為增量設計創(chuàng)建合理的區(qū)域分組約束要遵循以下原則。
·??所有I/O引腳位置必須鎖定。
·??將與I/O端口聯(lián)系密切的區(qū)域分組布置在相應I/O端口的附近。
·??區(qū)域分組約束的范圍不應該重疊。
·??盡量保證每個區(qū)域的資源利用率基本一致，避免出現(xiàn)某一區(qū)域利用率達到99%，而另一區(qū)域的利用率只有10%的情況。
·??如果一個區(qū)域分組中包含F(xiàn)PGA的多種資源，如：Slice、Block?RAM、TBUF、Multipliers等，這時很有必要將不同的資源設置在不同的區(qū)域，然后將幾個不同位置區(qū)域拼合為一個區(qū)域分組。可以使用PACE、Floorplanner等工具完成，也可以在約束文件中使用如下約束：
INST?Logic_Group_A?AREA_GROUP?=?AG_Logic_Group_A?; //AREA分組
AREA_GROUP?"AG_Logic_Group_A"?RANGE?=?SLICE_X0Y20:SLICE_X20Y30?;//SLICE約束
AREA_GROUP?"AG_Logic_Group_A"?RANGE?=?RAMB16_X0Y2:RAMB16_X0Y2?;//RAM約束
AREA_GROUP?"AG_Logic_Group_A"?RANGE?=?MULT18X18_X0Y1:MULT18X18_X0Y1;//MULT約束
AREA_GROUP?"AG_Logic_Group_A"?RANGE?=?TBUF_X0Y0:TBUF_X1Y0; ?//TBUF約束
4．增量實現(xiàn)（Incremental?Implement）
第3步的創(chuàng)建區(qū)域分組約束也可以作為增量實現(xiàn)的內容，增量實現(xiàn)的步驟如下。
（1）設置區(qū)域分組約束。
（2）映射、布局布線得到初始指引文件。
（3）下載調試，需要修改時，對細微細節(jié)進行修改，然后實現(xiàn)增量綜合。
（4）增量綜合后在初始指引文件下進行第二次映射與布局布線。
（5）下載調試，如仍有問題，重復步驟（3）～步驟（5），直到符合設計要求為止。
在增量實現(xiàn)過程中，必須要對布局布線的屬性進行相關的設置。首先應該使能增量設計，具體設置如圖6.31所示。在“Processes?for?Source”中選擇“Implement?Design”，單擊右鍵，出現(xiàn)屬性對話框。選擇“Incremental?Design?Properties”，然后選擇“Enable?Incremental?Design?Flow”，使能增量設計。
圖6.31??項目管理器中啟動增量設計功能對話框
在增量設計中，如果是用Synplify/Synplify?Pro等第三方綜合工具，那么需要由綜合工具生成向導文件指導實現(xiàn)工具進行實現(xiàn)流程。選擇如圖6.31中的“Run?Guided?Incremental?Design?Flow”選項，表示將由指定的向導文件來指導實現(xiàn)工具進行實現(xiàn)流程。
向導文件可提供Map.ncd文件和Par.ncd文件。其中，Map.ncd文件包含了slices、IOBs等映射信息。Par.ncd文件包含了布局和布線信息。實現(xiàn)工具根據(jù)這兩個文件的信息來確定沒有改變的模塊和已經改變的模塊，把沒有改變的模塊放進向導文件所記錄的上次綜合實現(xiàn)的位置。對布線器來說，該布線資源同時也將被保留，其布線關系也不會改變。
使用向導文件，要對實現(xiàn)具的屬性做部分修改。將“Map?Guide?Mode”和“PAR?Guide?Mode”分別改成增量型（Incremental），如圖6.32和圖6.33所示。
圖6.32??使用指引文件指引映射? 圖6.33??使用指引文件引導布局布線
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進行了上述設置后，需要指定映射和布局布線的指引文件。
整個增量實現(xiàn)步驟完成后，需要檢查映射報告（擴展名為map）和布局布線報告（擴展名為par），看是否真的完成了增量設計。
6.6.3??小結
本節(jié)對增量式設計方法的概念以及設計流程做了全面的介紹，希望讀者能夠掌握增量設計的基本流程，并應用到自己的工程設計當中。在6.9節(jié)中會通過一個具體的實例來說明增量設計的整個流程。
增量設計在大型的工程設計中是很有用的，可以為設計節(jié)約大量的時間。增量設計中一個難點在于分組區(qū)域約束的設置，這不但需要對整個工程有全面的把握而且要求對于FPGA器件的內部結構有一定的了解，這需要在實踐中不斷積累經驗。
