Xilinx Spartan-3AN的触发器使用

innovation

本帖摘自公司内部培训文件，对网页版阅读效果不满意的同学可直接下载：
Xilinx Spartan-3AN触发器的使用技巧之一.pdf (726.87 KB, 下载次数: 1 )

2021-8-15 17:00 上传

点击文件名下载附件

PS:3#的内容发重复了，但是没找到方法删除。

innovation

6.     Spartan-3AN的触发器使用

        XilinxFPGA内部最基本、最丰富的可编程逻辑资源称为CLB（Configurable Logic Block），FPGA逻辑程序中的绝大部分代码对应着CLB的逻辑行为控制。Spartan-3AN系列FPGA的1个CLB由4个Slices构成，每个Slice包含2个LUT4 + 2个FFs，如下图（摘自Xilinx UG331）：

  在使用ISE 14.7进行Spartan-3AN FPGA逻辑程序设计时，ISE的综合属性设置和程序代码风格对综合结果影响较为明显，本文以公司的TPIC6C595_Write.vhd这个IP为例，进行试验性总结。

6.1 ISE相关综合属性参数

        ISE14.7综合属性参数中“Use Clock Enable”、“Use Synchronous Set”、“Use Synchronous Reset”三个参数用于全局性的控制XST在综合时是否使用触发器的控制信号：CE、Reset、Set，每个参数有“Yes、Auto、No”三个选项，如下图：

        ISE帮助文档对这三个属性参数的描述如下：

当设为：

Ø  No：禁止XST综合时使用触发器的对应控制引脚。由于综合属性参数是全局参数，当选择此选项时，整个设计中的触发器都不使用对应的控制信号，通常很难满足设计者的意图，故大多数设计并不推荐选择此选项；

Ø  Yes/Auto：设为Yes时，帮助文档的意思是由设计的代码推演控制引脚的使用；设为Auto时，XST结合设计代码推演并考虑整体性能综合评估控制引脚的使用，但具体策略没有进一步的文档可供查阅。试验发现，XST针对Spartan-3AN系列FPGA似乎倾向于多使用触发器的控制引脚，见后文。

innovation

6.2.     合理使用触发器控制引脚可节省大量LUT资源

6.2.1.    禁用触发器控制引脚

  将ISE的 “Use Clock Enable”、“Use Synchronous Set”、“Use Synchronous Reset” 三个综合属性参数全部设为“No”，综合TPIC6C595_Write.vhd文件后，查看综合报告：

  由于禁止XST使用触发器的控制引脚，XST将代码中CE、Reset、Set等功能全部吸收进触发器D输入端的LUT中，导致逻辑级数（Levelsof Logic）增加，设计的整体时序性能下降：

6.2.2.    使用触发器控制引脚

  将ISE的 “Use Clock Enable”、“Use Synchronous Set”、“Use Synchronous Reset” 三个综合属性参数全部设为“Auto/Yes”（试验发现，对于TPIC6C595_Write.vhd当前的代码，此两种设置综合结果相同），综合后，查看综合报告：

  合理使用触发器控制引脚，综合后报告的时序性能：

  可以看到，如果通过ISE的综合属性参数全局性地禁止XST综合时使用触发器的控制引脚，将导致XST在综合时不得不使用更多的LUTs资源（本试验使用的设计，LUTs由65→114，多消耗了75.38%的LUTs），从而不可避免地导致逻辑级数增加，使得整体时序性能下降（本试验使用的设计，综合后报告的时序性能由289.268MHz→215.471MHz，下降了25.51%）。

innovation

6.2.     合理使用触发器控制引脚可节省大量LUT资源

6.2.1.    禁用触发器控制引脚

  将ISE的 “Use Clock Enable”、“Use Synchronous Set”、“Use Synchronous Reset” 三个综合属性参数全部设为“No”，综合TPIC6C595_Write.vhd文件后，查看综合报告：

  由于禁止XST使用触发器的控制引脚，XST将代码中CE、Reset、Set等功能全部吸收进触发器D输入端的LUT中，导致逻辑级数（Levelsof Logic）增加，设计的整体时序性能下降：

innovation

6.2.2.    使用触发器控制引脚

  将ISE的 “Use Clock Enable”、“Use Synchronous Set”、“Use Synchronous Reset” 三个综合属性参数全部设为“Auto/Yes”（试验发现，对于TPIC6C595_Write.vhd当前的代码，此两种设置综合结果相同），综合后，查看综合报告：

  合理使用触发器控制引脚，综合后报告的时序性能：

  可以看到，如果通过ISE的综合属性参数全局性地禁止XST综合时使用触发器的控制引脚，将导致XST在综合时不得不使用更多的LUTs资源（本试验使用的设计，LUTs由65→114，多消耗了75.38%的LUTs），从而不可避免地导致逻辑级数增加，使得整体时序性能下降（本试验使用的设计，综合后报告的时序性能由289.268MHz→215.471MHz，下降了25.51%）。

innovation

6.3.     XST针对Spartan-3AN系列FPGA倾向于多使用触发器的控制引脚？

试验发现，当将ISE的综合属性参数“Use Synchronous Reset”设为“Yes/Auto”时，XST似乎更倾向于使用触发器的控制引脚？

6.3.1.    意外综合为FDR的代码风格

  试验用的设计文件中有一个可装载的计数器，并需要比较计数器值，初始代码设计如下：

  综合后，发现bitCNT_LD、bitCNT_IsFull_1、bitCNT_IsFull_2这三个信号综合为FDR，并且分别采用两级LUT逻辑实现触发器的Reset信号。尝试修改bitCNT_LD、bitCNT_IsFull_1、bitCNT_IsFull_2这三个信号在定义时所赋初值分别为'0'或'1'，发现对综合结果没有影响。查看XST综合后的电路如图：

这样的综合结果有几个缺陷：

Ø  在Slice内，从LUT输出端到对应触发器的D输入端有极低（或零）延迟的专用连线，而没有从LUT输出端到触发器Reset引脚的专用连线，故在最终布线时，会增加一级额外的布线延迟；

   Ø  XST综合报告反映出触发器Reset输入端到Q输出端的门延迟显著大于D输入端到Q输出端的门延迟；

   Ø 在1个Slice内部，触发器的控制引脚是分别（CE、Reset、Set）共用的，只有控制引脚相同的触发器在布局/布线阶段可以放置入同一个Slice，对于低扇出控制信号的使用，易导致同Slice内的其它触发器不能被使用，造成资源浪费。Spartan-3AN系列FPGA由于密度较低（1个Slice内仅两个触发器，暂未查阅到Xilinx相关文档针对Spartan-3AN触发器低扇出控制信号的设计指南，而到了Spartan-6系列，1个Slice内包含8个触发器，Xilinx在多份文档中明确提出应尽量避免低扇出触发器控制信号的使用）

innovation

6.3.2.    避免综合为FDR的代码风格

  将bitCNT_LD、bitCNT_IsFull_1、bitCNT_IsFull_2三个信号的实现代码修改如下，可避免XST将它们综合为FDR：

  修改后的代码，bitCNT_LD、bitCNT_IsFull_1、bitCNT_IsFull_2三个信号综合为FD，并且bitCNT_2到bitCNT_LD的路径不再是整个设计的关键时序路径。综合后的资源消耗和整体时序性能见前文（6.2.2）章节，可以看到，对于相同的逻辑功能，通过适当的代码风格的控制，更为精确的向开发平台软件（XST）表达设计者的真实意图，可以获得更高性能（甚至更低资源消耗）的设计。

innovation

6.4.     高逻辑级数代码的优化

XilinxFPGA的LUTn（LUT4/LUT6），当一个逻辑表达式的输入条件数量小于等于n时，无论此表达式有多么的复杂，XST总是能确保将此表达式综合为1个LUTn，从而将逻辑级数控制为单级；当逻辑表达式的输入条件数量大于n时，情况就变得十分复杂了，例如，一个7输入的逻辑表达式，可能使用1个LUT4+1个LUT4实现，也可能不行。

6.4.1.    一段高逻辑级数的代码

  本文所使用的示例文件中，有如下一段代码，是一个9输入的逻辑表达式：

  如果单纯的从逻辑表达式输入数量及LUT4输入数量的角度考虑，可能推测XST的综合结果为：第一个逻辑级采用2个LUT4，实现8个逻辑输入，第二个逻辑级采用1个LUT3，实现前级的两个逻辑输出和第9个逻辑输入。但一定要记住的是：“只有当逻辑表达式的输入数量小于等于所采用FPGA系列的单个查找表的最大输入数量时，单个LUTn才能实现任意逻辑表达式，级联LUTn不能实现最小化逻辑级数和LUTn数量的任意逻辑表达式”。事实上，XST对示例代码的综合结果为：5个LUT + 1个MUXF5，共3个逻辑级数，如下图：

  这个综合结果，直接导致FSM1_IsUpdate到TsrIsLoaded这个路径成为整个设计的关键时序路径，从而限制了设计的整体时序性能，查看XST综合后的时序结果如下图：

innovation

6.4.2.    合理地提取逻辑分支到FFs的控制端可提高设计性能

针对本例高逻辑级数的代码，可以采用以下两种方式优化，以降低逻辑级数和减少布线延迟，从而提高设计的时序性能：

1)     提取表达式中的逻辑分支，使表达式结果为'0'的分支，可采用FFs的Reset控制引脚实现；使表达式结果为'1'的分支，可采用FFs的Set控制引脚实现。

但应注意的是：FFs的Reset控制引脚和Set控制引脚之间有优先级关系，Reset控制引脚的优先级高于Set引脚（具体可查阅Xilinx UG331），将表达式的逻辑分支提取至FFs控制引脚时一定要与原表达式的逻辑分支的优先级保持一致。

另：提取的逻辑分支的逻辑输入数量应控制在4以内，确保提取至FFs控制引脚的逻辑表达式可以采用单级LUT或不使用LUT来实现（见前文6.3章节的分析）。

2)     使用Slice内专用MUX，结合LUT实现逻辑表达式。依据Xilinx UG331的介绍，在Slice内部，从LUT输出端到其专用MUX之间有极低（或零）延迟的内部连线，并且MUX的输入到输出的门延迟低于LUT输入到输出的门延迟。从而，大于4输入的逻辑表达式，如果能通过LUT4+MUXF5的方式实现，其逻辑延迟将低于两级LUT级联的逻辑延迟，相应设计可获得更高的时序性能。

依据UG331的介绍，一个Slice内的2个LUT4+1个MUXF5可实现任意5输入的逻辑表达式，如下图（摘自Xilinx UG331）：

依据UG331的介绍，一个Slice内的2个LUT4+1个MUXF5可实现特定的9输入逻辑表达式，如下图（摘自Xilinx UG331）：

采用上述两种方式，可将本例高逻辑级数的代码优化为如下的代码：

查看XST对优化后的代码综合结果如下图：

综合后的资源消耗和整体时序性能见前文（6.2.2）章节，可以看到，FSM1_IsUpdate到TsrIsLoaded这个路径不再是整个设计的关键时序路径，同时，优化后的代码还可减少两个LUT资源的消耗。

innovation

6.4.3.    基于进位链实现“宽逻辑门”可提高设计性能

XilinxFPGA的Slice具有针对算数运算的专用逻辑资源：进位链（MUXCY）、异或门（XORCY），并在Slice内的LUT、MUXCY、XORCY、FF之间有专用的极低（或零）延迟连线。Slice内的专用算数资源通常用于FPGA逻辑设计中加（减）法器、计数器等设计，但这不是这些专用资源的唯一用途。比如，基于进位链（MUXCY）实现输入数量大、关系复杂的逻辑表达式，并利用进位链的专用极低（或零）延迟连线获得很小的门延迟，从而替代高逻辑级数的级联LUTs的设计，提高设计的整体时序性能。

关于进位链（MUXCY）以及基于进位链设计宽逻辑门（Wide Gate）的原理请参考Xilinx UG331 Chapter 9 〝UsingCarry and Arithmetic Logic〞。

  例如，下图（摘自Xilinx UG331）即为使用进位链（MUXCY）实现“与门”的示例：

  针对本例高逻辑级数的代码，原表达式可改写为下式（图中两个表达式是逻辑相等的）：

  改写后的代码可拆分为三个逻辑子式F1、F2、F3，原逻辑表达式可写为：

TsrIsLoaded  <= F1 and( F2 or F3 )

Ø  F1有两个输入，可以采用1个LUT2实现；

Ø  F2有三个输入，可以采用1个LUT3实现；

Ø  F3有四个输入，可以采用1个LUT4实现；

Ø  完整表达式可以采用：3个LUT+3个级联MUXCY实现。

本例原高逻辑级数的代码改写为基于进位链（MUXCY）实现的代码如下：

查看XST对优化后的代码综合结果如下图：

  综合后的资源消耗和整体时序性能见前文（6.2.2）章节，可以看到，FSM1_IsUpdate到TsrIsLoaded这个路径不再是整个设计的关键时序路径，同时，优化后的代码还可减少两个LUT资源的消耗，并且未使用带控制引脚的触发器。