如何通过RTL分析、SDC约束和综合向导进行FPGA设计

大多数FPGA设计人员都充满热情地开展专业化问题解决和创造性工作，当然，他们工作压力也相当大，工作流程也非常单调乏味。幸运的是，EDA 公司和 FPGA 厂商不断开发新的工具和方法，推进繁琐任务的自动化，帮助设计团队集中精力做好创造性工作。下面我们就来看看 FPGA 工具流程的演进发展，了解一下现代FPGA团队是如何利用RTL分析、约束生成和综合导向来减少设计迭代的。

如果您已经是一名FPGA设计专业人士，那么将拥有辉煌的职业发展前景，因为越来越多传统上需要 ASIC 实现的设计现已改用 FPGA。随着新一代芯片工艺技术的推出，设计 ASIC的成本正呈几何级数增加。与此同时，FPGA厂商则能利用最新工艺技术实现新一代产品，且不会让客户承担过重的成本负担。

但不容乐观的是，FPGA设计相当复杂，需要跟 ASIC 流程一样复杂的工具流程，这往往需要整个设计团队的共同努力才能完成，而不能光靠一名设计人员。因此，FPGA设计团队在着手ECO 或新项目之前应认真分析现有的工具套件。那么好消息呢 就是新一代EDA工具如雨后春笋般涌出，可助他们一臂之力。设计人员可选择采用标准数据格式且易于安装和使用的工具，简化流程集成工作，而且能够在选定的平台(不管是 Windows 还是 Linux)上实现本机运行。

FPGA 工具流程的发展演进

这些年来，FPGA 设计日趋复杂，工具流程也随之发展，而且越来越像 ASIC流程。上世纪 90 年代，FPGA 流程(见图 1 的流程 A)跟当时的简易 ASIC 流程一样，最初以 RTL 为基础，并采用综合及布局布线工具。随着设计变得进一步复杂化，FPGA 团队在流程中增加了时序分析功能，帮助客户确保设计能按指定的频率运行。今天的 FPGA已经发展为庞大的系统平台，设计团队通常要通过 RTL 分析来最小化设计迭代，并确保设计能够实现相应的性能目标。

进而言之，由于今天的 FPGA 设计项目非常庞大复杂，所以设计人员需要想尽一切办法更好地了解设计的规模和复杂性，以便更好地控制流程中的工具，加速设计上市进程。现代FPGA 设计团队正在采用一种新型方法，那就是在整个设计流程中贯穿约束机制。我们不妨看看当下最流行的、现已得到赛灵思最新 Vivado 流程支持的一种约束方法——Synopsys 设计约束 (SDC) 格式，以及了解如何通过 SDC 让设计项目受益。法进行时序收敛。随后要反复手动盲目尝试添加 SDC，以实现时序收敛，或让设计能在指定的频率上工作。许多从事过上述工作的设计人员都抱怨说设计迭代要花好几个星期，往往会拖延设计进程。

迭代的另一个问题在于，数名设计人员可能在不同的地点为 SDC 设计不同的模块。这样设计工作会变得非常复杂，设计团队必须想办法验证SDC，避免在芯片级封装阶段出现层级名称的冲突。要确保进行有效的设计协作，就必须采用适当的工具和方法。

流程 C 是现代化流程，除了流程B 的工具之外还采用了分析、 SDC 约束和高层次综合技术，在解决上述问题方面发挥了重大作用。

综合向导

对典型的FPGA设计而言，综合解决方案还处于探索阶段，不管是面积、速度还是功耗的优化，都存在多个局部最大值和局部最小值。利用智能向导，我们能实现最佳解决方案，避免综合工具聚集到任意的局部最小值。最有效的向导之一就是采用错误路径和多周期路径，避免综合工具为不必要的组件浪费宝贵的优化时间。

不过，找到设计中的所有错误路径 (FP) 和多周期路径 (MCP) 并不容易。花上足够的时间，我们能找到一些简单的 FP 和 MCP，不过一些涉及状态机和计数器的复杂 FP 和 MCP(特别是在多个层级中)则很难找到。幸运的是，FPGA设计人员可采用Blue Pearl Software 等创新公司推出的工具执行自动化 FP 和 MCO 生成，从而确保完整性、全面性和准确性。此外，这些工具还能为每个 FP 和MCP 提供不同的机制，包括原理图、断言和审核路径，从而让用户验证其正确性。

由于 FPGA 厂商和商用 EDA 厂商的合作进一步加强，采用通用接口，设计团队就能够将 Blue Pearl 软件套件集成到他们所青睐的工作流程中。既然赛灵思的最新 Vivado 设计套件支持SDC，那么在不同工具之间沟通设计意图就变得极其简单(图 2)。

除了与赛灵思及其他FPGA厂商协作外，Blue Pearl [p] 公司还同Synopsys 开展密切合作。这两家公司共同研究如何让综合工具接受尽可能多的自动生成的 SDC，同时避免设计人员进行任何手动修改。由于 SDC 格式对不同工具的使用差异很小，因此工作团队快速明确命名方案是顺利实现互操作性的一大挑战。

这里的解决方案是在综合的第一阶段(编译)后截取映射名称，在 BluePearl 软件套件的 SDC 生成工具中使用名称，并为综合工具的第二阶段(优化)提供适当的SDC。该方法给FPGA设计人员提供了一个最佳解决方案，无需花时间处理格式化问题。

能取得哪些实际的效果

Blue Pearl 软件套件能实现一些任务的自动化， 设计人员对其结果质量(QoR) 很满意。表 1 显示了用 Blue Pearl 软件套件自动生成SDC，能将示例设计的 QoR 提升 20%，该示例采用多个 IP 核，其中包括 Verilog 的R1200 和 VHDL 的 AES 加密。

对FPGA设计人员来说，降低压力、简化工作的一个好办法就是跟别人一样添加RTL分析、SDC 生成和综合向导工具。