FPGA设计需要考虑模块布局吗?

作者:FPGA的现今未

最近在一个项目中,使用的单板是一块老单板,因为外部接口刚好满足需求,所以就拿过来直接用了。单板上的FPGA是K7 325T的芯片,项目使用的资源LUT不到20%,REG不到10%,但是偶尔有一些时序问题……

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问题分析

对于一个占用资源如此少的项目,以团队的经验按理来说是不应该有时序问题的。我们通过时序分析报告,发现时序分析不通过原因是几条线路的走线比较长导致的。本想在device中看看到底有多长,但是突然发现,整个FPGA的资源全部集中在芯片的下面部分,它大体是这么个样子:

从图上我们可以看到,整个FPGA的上半部分,几乎没有消耗逻辑资源,所有消耗的逻辑资源几乎全部集中在下面了,为什么会这样呢?想到肯定和外部接口有关,通过分析管脚的分配,果然发现了问题。我们知道325T的bank示意图如下图所示:

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在项目中数据流部分主要涉及到2种接口,一种是位于HP bank的ddr接口,另一种并行接口(数据位较多),包括输入部分和输出部分,管脚都分配在bank12到bank15。所以在不加任何约束的情况下,vivado工具在能满足布局布线的前提下,默认就会把资源全部集中在接口附近,也就是集中在了芯片的下半部分。


硬件将管脚集中,有利于PCB的设计,比如不使用的bank可以不提供电压。但是对于逻辑设计而言,可能不是一个太好的设计。这样的管脚位置,使得本项目的内部数据流相互交叉,尤其是后续资源使用量增加后,时序问题可能会进一步的恶化。


解决方案

如何解决这种问题,从根本上讲,在项目前期,FPGA开发人员和硬件开发人员要充分沟通,根据FPGA项目中模块的数据流来合理分配管脚。比如在本问题中,DDR接口是固定的在HP bank,对于并行接口,输入部分我们可以考虑在bank12、bank13,输出部分我们可以考虑在bank14和bank15,这样对于数据流来说,vivado最终布局布线的结果,可能大体是如下图左边这样的(该示意图画的比较理想,但是不影响该问题的说明)。当然我们也可以把输入输出接口分开点,贯穿整个芯片,那最终的布局布线结果可能是下图右边这样的。这样使得数据流在FPGA内部是有序的。

当后续模块增加后,我们可以通过合理的布局,比如通过pblock的方式,规划内部数据流的走向。这种方案尤其是对于多die的芯片,更为重要。这部分在基于xilinx的跨die FPGA的逻辑设计中有详细介绍。

当然对于本案例中的问题不可能采用上述的方式来解决,这里还有第二种方案,就是打拍,根据走线过长的路径的分析,在中间适当的插入reg,本案例中,路径过长是由于输入的iddr位置固定,导致iddr输出后的数据,所经历的组合逻辑较多导致。这里将iddr的输出数据打2拍后,解决该问题。

总结

(1)、在FPGA项目前期,要提前规划好FPGA内部的数据流走向,防止数据流互串;

(2)、对于较复杂的项目,可以通过pblock的方式手动布局来规划数据流走向。


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