FPGA速度优化

速度优化

前言

速度优化，主要就是设计时序进行优化

• 吞吐量：每个时钟周期能处理的数据量，多少bit,b/s。为了提高吞吐量，大量的并行的设计被使用，再对数据处理完成之后对外传输，一般使用告诉串行I/O口，使得提高速率的前提又增加了稳定性
• 设计延时：输入数据和数据被处理后输出的时间间隔。对于吞吐量来说，只关心流水线末端下线产品的数量，很少关系数据被处理的传输延迟。即尽量采用并行操作，减少流水操作。
• 设计时序:指设计时钟速度，两个时序单元之间的最大延迟，决定了时钟频率（速度），可以得到一个最大时钟频率

一、时序优化

tip：从核心上理解就是关键路径的延迟太大，可以从插入流出、减小扇出（扇出过大会影响布局布线）、组合逻辑重组、操作符平衡（组合逻辑存在流水，如何是这个流水变成并行的，也就是组合逻辑重组）、消除代码优先级（使用case语句，使用 if else语句不超过7级）、

1.1 减少关键路径上的时序

关键路径：时序路径上的组合逻辑都会增加路径延迟，两个寄存器之间的最大延迟就是关键路径，减少了，就优化了时序，增加了时钟频率。也就是说木桶理论。

1.1.1 关键路径重组

多用于多个路径组合的场合，将重组先后的顺序，使得寄存器之间的关键路径被拉的更近。

1.1.2 解决扇出问题

**tip：**Fanout即扇出，模块直接调用的下级模块的个数，如果这个数值过大的话，在FPGA直接表现为路径延时(net delay)较大，不利于时序收敛。因此，在写代码时应尽量避免高扇出的情况。

• 适当的逻辑赋值：信号扇出过大，会造成布局布线困难，从而导致延迟过大。通过对信号的复制（面积换速度），可以分担扇出过大的问题。又分为逻辑复制和寄存器复制。
  **解决扇出：
  方法一：**组合逻辑复制如下：

方法二：在代码中可以设置信号属性，将对应信号的max_fanout属性设置成一个合理的值，当实际的设计中该信号的fanout超过了这个值，综合器就会自动对该信号采用优化手段，常用的手段其实就是寄存器复制。属性设置如下代码所示：

(* max_fanout = “3” *)reg signed [15:0] din_d;

方法三：通常BUFG是用于全局时钟的资源，可以解决信号因为高扇出产生的问题。但是其一般用于时钟或者复位之类扇出超级大的信号，此类信号涉及的逻辑遍布整个芯片，而BUFG可以从全局的角度优化布线。而且一块FPGA芯片中BUFG资源也有限，在7k325tffg900上也仅有32个，如果用于普通信号的高扇出优化也不大现实。因此，在时钟上使用BUFG是必须的，但是如果设计中遇到某些复位信号因高扇出产生的时序问题时，可以在此信号上使用BUFG来优化。

1.1.3 路径上插入寄存器

中间插入寄存器，面积换速度（插入流水线）；

1.1.4 寄存器平衡

操作符平衡（组合逻辑存在流水，如何是这个流水变成并行的），使用括号来重组组合逻辑 如，z<=abcd变成z<=(ab)(cd)

1.1.5 并行结构

如out1 <= a + b +c + d变成out1 <=( a + b) +(c + d)

1.1.6 消除代码优先级

消除代码优先级（使用case语句，使用 if else语句不超过7级），if语句需要顺序去判断，所以耗时；
如果非要使用 if else 那么当if中的控制线是互斥的，就可以改写为多个if并行的方式

总结

两个ff之间的组合逻辑延迟过大，解决核心就是思考如何让两个ff之间距离更近。导致ff之间延迟的原因有扇出，组合逻辑综合后的电路结构是串形的（尽量用操作符去优化让其综合合成并行的电路），优先级问题。或者去使用插入寄存器去解决（加一级流水）