Vivado中設(shè)計(jì)鎖定與增量編譯方法簡(jiǎn)析

關(guān)于增量編譯

所謂增量實(shí)現(xiàn)，更嚴(yán)格地講是增量布局和增量布線。它是在設(shè)計(jì)改動(dòng)較小的情形下參考原始設(shè)計(jì)的布局、布線結(jié)果，將其中未改動(dòng)的模塊、引腳和網(wǎng)線等直接復(fù)用，而對(duì)發(fā)生改變的部分重新布局、布線。

這樣做的好處是顯而易見(jiàn)的，即節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，能提高再次布局、布線結(jié)果的可預(yù)測(cè)性，并有助于時(shí)序收斂。

增量實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)流程構(gòu)成：原始流程和增量流程，如圖所示。其中，原始流程提供網(wǎng)表。這里的網(wǎng)表可以是布局后的DCP文件，也可以是布線后的DCP文件。



增量實(shí)現(xiàn)流程有兩種模式：高復(fù)用模式和低復(fù)用模式。在高復(fù)用模式下，布局、布線會(huì)盡可能地復(fù)用已有布局、布線的結(jié)果。

在這種情形下，place_design和route_design都只有三種directive可用，分別為Default、Explore和Quick。 以下兩種情形適合于高復(fù)用模式。

情形1：很小的設(shè)計(jì)改動(dòng)。

情形2：與原始設(shè)計(jì)相比，更新后的設(shè)計(jì)只是添加了調(diào)試模塊，如ILA等。 由此可見(jiàn)，高復(fù)用模式在網(wǎng)表時(shí)序收斂且多達(dá)95%的邏輯單元被復(fù)用時(shí)最為有效。

與高復(fù)用模式相比，低復(fù)用模式則適用于更新后的設(shè)計(jì)與參考設(shè)計(jì)相比有較大的改動(dòng)，或者用戶通過(guò)read_checkpoint的選項(xiàng)?reuse_objects指定復(fù)用邏輯單元的情況。此時(shí)，place_design和route_design的所有?directive均可用。

當(dāng)布局、布線在某些區(qū)域面臨挑戰(zhàn)時(shí)，低復(fù)用模式更為有效。例如，從網(wǎng)表中獲得較好的Block RAM和DSP的布局，或者時(shí)序難以收斂的邏輯單元。這些都可通過(guò)Tcl命令獲得。

一般來(lái)說(shuō)，增量編譯都是與設(shè)計(jì)鎖定聯(lián)合使用的。

設(shè)計(jì)鎖定與增量編譯方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的布局（place）、布線（route）的鎖定，僅適用增量編譯是不夠的，因?yàn)樵隽烤幾g的本質(zhì)目的是為了實(shí)現(xiàn)編譯時(shí)間的縮短，還需要引入設(shè)計(jì)鎖定，設(shè)計(jì)鎖定的TCL命令是：lock_design –level routing

下面例說(shuō)操作方法。

（1）建立工程：建立一個(gè)工程，走完綜合實(shí)現(xiàn)的流程，如圖1所示，該工程將作為樣例工程（工程名：incre_compile_demo），將該工程備份一份（工程名：initial_project,后面對(duì)比要用到這個(gè)工程）；



圖1 建好的工程

（2）找到dcp文件：增量編譯需要有一個(gè)參考文件，這個(gè)參考文件是“參考設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)之后生成的，后綴是“.dcp”，該文件的路徑一般在“.. project_1project_1.runsimpl_1”路徑下，如圖2所示，新建一個(gè)文件夾（名字是dcp_file），將該文件復(fù)制到其中，如圖3所示；



圖2 dcp文件



圖3新建文件夾，復(fù)制dcp文件

（3）鎖定設(shè)計(jì)：前面說(shuō)道，簡(jiǎn)單的增量編譯是不能保證模塊固定在某個(gè)位置的，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行鎖定，方法是，打開(kāi)一個(gè)新的Vivado界面，然后打開(kāi)dcp_file文件夾下的dcp文件（注意選擇“open checkpoint”），如圖4所示；打開(kāi)后，在TCL Console中輸入命令：“l(fā)ock_design –level routing”，點(diǎn)擊左上角保存，如圖5所示，做完這一步后，設(shè)計(jì)就鎖定好了，dcp文件就可以用了；



圖4 vivado打開(kāi)dcp界面



圖5 鎖定設(shè)計(jì)并保存

（4）增量編譯：

1）修改代碼，將頂層模塊（test_compare.v）line263-line266注釋取消，保存，如圖6所示；

2）在主界面菜單欄處，點(diǎn)：Flow > Create Runs；

3）選both，點(diǎn)next，如圖7所示；

4）勾選make active，點(diǎn)next，如圖8所示；

5）選Do not launch now，點(diǎn)next，如圖9所示； 6）完成后如圖10所示；

7）在impl_2右鍵，選擇“Set Incremental Compile”，選擇步驟（3）中準(zhǔn)備好的dcp文件，示意圖如圖11所示（注意這只是一個(gè)示意圖，圖中選的文件不是步驟（3）準(zhǔn)備好的那個(gè)文件）

8）開(kāi)始綜合、實(shí)現(xiàn)，完成增量編譯過(guò)程。



圖6 改代碼



圖7 選both



圖8 make active



圖9 Do not launch now



圖10 新的run已建好



圖11 選擇參考dcp文件

3、正確性驗(yàn)證

怎么證明增量編譯后，原始設(shè)計(jì)成功鎖定了呢？我們來(lái)做一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

樣本1：原始工程，名稱是: initial_project;

樣本2：增量編譯工程，名稱是: incre_compile_demo;

樣本3：原始工程復(fù)制一份出來(lái)，不進(jìn)行增量編譯，直接修改代碼（見(jiàn)圖6），重新綜合實(shí)現(xiàn)，名稱是：modify_project。

打開(kāi)三個(gè)工程，之后open implemented design，選取幾個(gè)模塊，觀察其在FPGA上的位置，發(fā)現(xiàn)樣本1和樣本2位置完全一樣，而樣本3和前兩個(gè)樣本不一樣，說(shuō)明設(shè)計(jì)鎖定是成功的，如圖12、13、14所示。

圖12 樣本1位置觀察



圖13 樣本2位置觀察



圖14 樣本3位置觀察

Vivado下如何鎖定設(shè)計(jì)的模塊的布局布線

Xilinx官方論壇上也有相關(guān)問(wèn)題的回答。

Vivado下如何鎖定設(shè)計(jì)模塊的布局布線 問(wèn)題： 我現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一個(gè)延時(shí)模塊，應(yīng)用后需要把該模塊的布局和布線全部鎖定，然后在別的項(xiàng)目中直接調(diào)用。現(xiàn)在布局沒(méi)有問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)約束文件來(lái)鎖定，就是布線不能大范圍鎖定，否則應(yīng)用時(shí)會(huì)失敗。

我已經(jīng)嘗試過(guò)增量編譯（調(diào)用DCP文件）的功能，發(fā)現(xiàn)在增量編譯中布局布線并不是全部不變的，個(gè)別走線也是會(huì)變的。

請(qǐng)問(wèn)有辦法把布線也固定下來(lái)嗎？（Tool: Vivado17.3 Device: K7）

回答1：如果你用的是Ultrascale/Ultrascale+ , 我覺(jué)得PR是個(gè)不錯(cuò)的選擇，你的目標(biāo)模塊可以放在靜態(tài)部分，只占據(jù)很小的一塊面積，剩下大塊的動(dòng)態(tài)部分.但是7系列有很多primitive不能放在動(dòng)態(tài)，靜態(tài)的部分包含的邏輯過(guò)多，剩下供你修改的邏輯偏少，不太適合目前的應(yīng)用場(chǎng)景.

回答2：關(guān)于鎖定某一個(gè)net的布線路徑，請(qǐng)參考以下步驟：

1.打開(kāi)跑完布局布線的工程，Open Implemented Design

2.找到你要鎖定布線的net，選中，右鍵菜單點(diǎn)擊Fixed Routing，如下圖所示:



3. Tcl Console里面會(huì)打印出一些命令，然后在Tcl Console里面敲命令：write_xdc/dirt.xdc

4. 打開(kāi)導(dǎo)出的xdc，在最下面的部分會(huì)有所有元件的位置鎖定以及FIXED_ROUTE，示例如下：



5. 另外還需注意的是，負(fù)載中有LUT的話需要將LUT的輸入pin也鎖住。以下圖的LUT2為例，在其property窗口中找到Cell pins，信號(hào)是連到LUT2的I0端，映射到BEL pin是A3。




因此上述導(dǎo)出的位置鎖定約束中還有一個(gè)LOCK_PINS的設(shè)置：

set_property LOCK_PINS {I0:A3} [get_cells clk_gen_i0/rst_meta_i_1] 6. 將這部分有關(guān)鎖定的約束拷貝到你工程的約束文件中，重新跑implementation，這條線會(huì)按照原先的結(jié)果布。

溫馨提示： 我們并不建議完全鎖死某個(gè)模塊的所有布線，當(dāng)合入的工程比較復(fù)雜，用到的布線資源較密集時(shí)，工具沒(méi)有靈活性去調(diào)整和優(yōu)化，有很大的概率會(huì)布線失敗。

劃分靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū)

除了上述的邏輯鎖定方法之外，Xilinx 的FPGA還提供了靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū)的劃分也可以實(shí)現(xiàn)邏輯的鎖定。只不過(guò)靜態(tài)區(qū)占據(jù)了大多數(shù)的空間，動(dòng)態(tài)區(qū)是可以隨意修改的小部分空間。

FPGA提供了現(xiàn)場(chǎng)編程和重新編程的靈活性，無(wú)需通過(guò)改進(jìn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行重新制造。部分重配置（PR）進(jìn)一步提高了這種靈活性，允許通過(guò)加載部分配置文件（通常是部分BIT文件）來(lái)修改操作FPGA設(shè)計(jì)。

在完整的BIT文件配置FPGA之后，可以下載部分BIT文件以修改FPGA中的可重配置區(qū)域，而不會(huì)影響在未重新配置的設(shè)備部分上運(yùn)行的應(yīng)用程序的完整性。



部分可重構(gòu)的基本前提

如圖所示，通過(guò)下載幾個(gè)部分BIT文件A1.bit，A2.bit，A3.bit或A4.bit中的一個(gè)來(lái)修改在重新配置塊A中實(shí)現(xiàn)的功能。

FPGA設(shè)計(jì)中的邏輯分為兩種不同的類型，可重構(gòu)邏輯和靜態(tài)邏輯。FPGA塊的灰色區(qū)域表示靜態(tài)邏輯，標(biāo)記為Reconfig Block“A”的塊部分表示可重配置邏輯。靜態(tài)邏輯仍然有效，并且不受加載部分BIT文件的影響?？芍嘏渲眠壿嬘刹糠諦IT文件的內(nèi)容替換。

為什么在單個(gè)FPGA器件上動(dòng)態(tài)地對(duì)多個(gè)硬件進(jìn)行時(shí)間復(fù)用的能力是有利的。

這些包括：

?減小實(shí)現(xiàn)給定功能所需的FPGA器件尺寸，從而降低成本和功耗

?為應(yīng)用可用的算法或協(xié)議選擇提供靈活性

?實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)安全性的新技術(shù)

?提高FPGA容錯(cuò)能力

?加速可配置計(jì)算 除了減小尺寸，重量，功耗和成本之外，部分重配置還可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有它的新型FPGA設(shè)計(jì)。




審核編輯：劉清