先進(jìn)FPGA開發(fā)工具中的時序分析

1. 概述
對于現(xiàn)今的FPGA芯片供應(yīng)商，在提供高性能和高集成度獨(dú)立FPGA芯片和半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品的同時，還需要提供性能卓越且便捷易用的開發(fā)工具。本文將以一家領(lǐng)先的FPGA解決方案提供商Achronix為例，來分析FPGA開發(fā)工具套件如何與其先進(jìn)的硬件結(jié)合，幫助客戶創(chuàng)建完美的、可在包括獨(dú)立FPGA芯片和帶有嵌入式FPGA（eFPGA）IP的ASIC或者SoC之間移植的開發(fā)成果。

隨著人工智能、云計算、邊緣計算、智能駕駛和5G等新技術(shù)在近幾年異軍突起，也推動了FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，如Achronix的Speedster7t獨(dú)立FPGA芯片不僅采用了7nm的工藝，而且還帶有二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）來支持高通量數(shù)據(jù)的流動和處理。同時，Achronix的Speedcore eFPGA IP也被很多全球領(lǐng)先科技公司集成到其ASIC或者SoC中。Achronix也推出了其ACE開發(fā)工具套件來同時支持這些產(chǎn)品，如圖1所示。它不僅提供了先進(jìn)的開發(fā)功能和資源管理能力，還集成了最新的Synplify Pro軟件。

圖1 ?Achronix ACE開發(fā)工具套件

Achronix的ACE開發(fā)工具套件是一套最先進(jìn)的設(shè)計工具鏈，可為Achronix的所有硬件產(chǎn)品提供支持。ACE與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的邏輯綜合工具配合使用，可支持FPGA設(shè)計人員便捷地將其設(shè)計映射到Speedster7t FPGA、Speedcore eFPGA中。這也意味著Achronix的用戶可以根據(jù)其應(yīng)用的規(guī)模，在Speedster7t、搭載該芯片的VectorPath加速卡、以及帶有Speedcore的SoC或者ASIC中選擇最佳的產(chǎn)品形態(tài)和路線圖。

ACE包括了為Achronix優(yōu)化的Synopsys的Synplify-Pro工具。Achronix仿真邏輯庫也獲得了Mentor的ModelSim、Synopsys的VCS等主流仿真工具的支持，設(shè)計人員還可以使用功能強(qiáng)大的布局規(guī)劃工具（floorplanner）進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，并且在進(jìn)入時序驅(qū)動的布局布線之前為所有設(shè)計模塊實(shí)例分配區(qū)域或位置。

ACE還包括一個關(guān)鍵的時序路徑分析工具，可以分析時序以確保設(shè)計符合性能要求。設(shè)計人員還可以使用ACE強(qiáng)大的Snapshot嵌入式邏輯分析器來創(chuàng)建復(fù)雜的觸發(fā)條件，并顯示在Speedster7t器件中運(yùn)行的信號。

總之，ACE開發(fā)工具套件可以覆蓋FPGA設(shè)計開發(fā)、編譯到調(diào)試所有的必備功能。

2. ACE中集成的時序路徑分析工具
時序分析是FPGA開發(fā)中一個十分關(guān)鍵的過程，也是復(fù)雜FPGA系統(tǒng)開發(fā)必須進(jìn)行的一步。時序問題是所有FPGA設(shè)計者繞不開的經(jīng)常會出現(xiàn)的問題。如何能讓FPGA設(shè)計跑在更高的頻率，如何能更快地解決時序問題，對于FPGA設(shè)計至關(guān)重要。

好的時序路徑分析工具能夠幫助設(shè)計者更快地定位時序問題。Achronix ACE開發(fā)工具套件集成了功能強(qiáng)大的時序路徑分析工具，相信能夠有效地幫助FPGA設(shè)計者解決各種各樣的時序問題。

3. 時序報告的產(chǎn)生
FPGA的基本開發(fā)流程中，有多處可以進(jìn)行時序分析的地方。ACE開發(fā)工具套件可以提供綜合以后、布局以后、布線以后等各個階段的時序分析。對于大多數(shù)設(shè)計者，只做布局布線以后的時序分析即可，因?yàn)閹Я瞬季植季€信息的時序分析最為精確，下面我們重點(diǎn)介紹布局布線以后的時序分析。

在利用ACE工具生成時序報告之前，我們先設(shè)置時序分析的相關(guān)參數(shù)，ACE會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動生成一個時序分析報告。如圖2所示，第一項(xiàng)設(shè)置關(guān)鍵路徑的打印條數(shù)，默認(rèn)是10條。第二項(xiàng)是設(shè)置每條關(guān)鍵路徑中最壞路徑的打印條數(shù)，因?yàn)樵诿織l關(guān)鍵路徑的兩個端點(diǎn)中可能包含多條路徑。

第三個單選框是打印未約束的時序路徑，這個信息可以幫助設(shè)計者查看時序約束是否覆蓋了設(shè)計中的所有路徑，報告中出現(xiàn)的未約束的路徑是不是用戶有意不想讓工具去分析的路徑。最后一個單選框是打印異步clear和preset信號到寄存器數(shù)據(jù)輸出的路徑。

圖2 ?時序報告相關(guān)參數(shù)

在ACE跑完布局布線時序分析以后，工具會根據(jù)參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生相應(yīng)的時序報告。時序報告有三種格式，html，csv和txt。三種文件格式不同，內(nèi)容完全一樣。

除了可以自動生成時序報告以外，ACE開發(fā)工具套件也支持用戶用Tcl命令去生成指定路徑的時序報告。ACE開發(fā)工具套件支持的時序分析相關(guān)的Tcl命令如下：

check_setup：對設(shè)計做一些時序方面的檢查。

prepare_sta：做靜態(tài)時序分析的準(zhǔn)備，進(jìn)入時序分析模式。

report_checks：用于報告具體路徑的時序分析結(jié)果。

report_clock_properties：用于報告設(shè)計中用到的時鐘屬性。

reset_sta：用于退出時序分析模式。

通過上面五條Tcl命令可以靈活地對設(shè)計進(jìn)行時序檢查和分析，具體使用可參見Achronix ACE User Guide UG070。

4. 時序報告詳解
打開時序報告，文件開頭會有一個summary，如圖3所示。

圖3 ?時序報告Summary

在Summary里面會顯示在fast corner和slow corner下的setup和hold分析的關(guān)鍵路徑。同時在Summary的最下面，系統(tǒng)會報告每個時鐘的目標(biāo)約束和實(shí)際能跑到的頻率。在Summary頁面中，關(guān)鍵路徑前有一個path id，這個path id同時又是一個超鏈接，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊后會自動跳轉(zhuǎn)到具體的時序路徑分析頁面，如圖4所示。

圖4 ?具體的時序路徑分析

圖5所示是一條分析setup的路徑。

圖5 ?setup timing路徑分析

數(shù)據(jù)從FF1發(fā)送出去被FF2捕獲，這里的Data Arrival Time等于時鐘launch edge到FF1的CLK端口需要的時間T_launch，加上源時鐘的路徑延遲，即CLK端到數(shù)據(jù)Q端需要的時間Tco，再加上數(shù)據(jù)的傳播延遲T_delay：

Data Arrival Time = T_launch + Tco + T_delay = 1.544 ns + 1.023 ns + 0.582 ns = 3.149 ns

Data Required Time等于CLK到達(dá)FF2所需要的時間T_capture，加上clock uncertainty，減去CLK路徑悲觀補(bǔ)償，再減去FF2的建立時間T_setup， 最后不要忘了加上一個時鐘周期：

Data Required Time = T_period + T_capture - T_clock_uncertainty + T_clk_reconvergence_pessimism – T_setup = 2.000 ns + 1.445 ns - 0.040 ns + 0.093 ns – 0.005 ns = 3.493 ns

這樣Setup slack就可以計算得出：

Setup Slack = Data Required Time - Data Arrival Time – Statistical Adjustment= 0.344 ns – 0.007ns（時序調(diào)整值） = 0.337ns

這里要提到時鐘公共路徑悲觀補(bǔ)償，因?yàn)闀r鐘到達(dá)FF1和FF2開頭一段路徑是重合的，在這段路徑里我們還是用最大時延差和最小時延差去進(jìn)行時序分析的話是很悲觀的，所以需要用這個參數(shù)補(bǔ)償回來。

5. 圖形化界面輔助時序分析
在ACE的floorplanner界面中，可以通過圖形界面輔助進(jìn)行時序分析，如圖6所示。

圖6 ?floorplanner界面的時序路徑分析
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ACE工具會在Critical Paths頁面把時序報告中的時序路徑全部列出來，不滿足時序的路徑用紅色高亮顯示，滿足時序的路徑用綠色表示。用戶選中其中一條路徑，在floorplanner界面里這條路徑的走線就會自動高亮顯示出來，便于用戶看到這條路徑在FPGA內(nèi)部具體的連接，以及源寄存器和目的寄存器在器件中的具體位置。

圖7 ?示意圖表示的時序路徑

在floorplanner頁面旁邊有個Diagram視圖，選中以后可以示意圖的方式顯示出這條路徑的具體延時數(shù)據(jù)，鼠標(biāo)停留在框圖上還會顯示更具體的信息。

綜上所述，在時序分析方面，ACE開發(fā)工具套件提供了完備的時序分析工具，從時序報告，到Tcl命令，再到圖形化的顯示，用戶可以很方便地利用工具進(jìn)行時序分析，找到具體的問題所在，然后針對具體問題來優(yōu)化設(shè)計的整體性能。

后面我們會繼續(xù)深入了解ACE開發(fā)工具套件的各種特性，并且會用一些例子來說明如何更高效地利用這些特性為FPGA設(shè)計提供方便，敬請期待。?

參考文獻(xiàn)：
1.Achronix website www.achronix.com

2.Achronix ACE User Guide UG070