FPGA 系统设计与实践

1. FPGA系统设计与实践 综合

2. 第五章 综合 • 内容提要 • 本章介绍了Xilinx公司的ISE5.2中的综合工具XST的综合属性、HDL代码参数设置、专用参数选项设置，使用XST综合设计、实行设计的步骤与方法。ISE5.2集成的下载配置工具iMPACT的结构、操作步骤与方法。Altera公司的QuartusII3.0编译器和编程器的使用步骤与方法。

3. 第五章 综合 • 知识要点： • 综合，实行，配置，综合工具XST，下载配置工具iMPACT，编译器，编程器 • 教学建议: • 本章的重点是掌握Xilinx公司 ISE5.2中的综合工具XST和下载配置工具iMPACT，Altera公司的QuartusII3.0编译器的结构特点与使用方法。

4. 第五章 综合 • 建议学时数为4学时。注意区分Xilinx公司的综合、实行、配置工具与Altera公司的编译与编程工具的不同点。在学习过程中，应结合第8章中的应用实例设计，去掌握ISE5.2综合、实行、配置或者QuartusII3.0编译与编程的步骤、属性设置及技巧。注意综合、实行、配置或者编译与编程中属性参数的设置对设计的影响。应通过大量的实际设计过程加深对ISE5.2综合、实行、配置或者QuartusII3.0编译与编程的理解。

5. FPGA系统设计与实践 ISE5.2中的综合工具XST

6. 5.1 ISE5.2中的综合工具XST • XST(Xilinx Synthesis Technology)是Xilinx ISE内嵌的综合工具。虽然XST与Synplify Pro等业界流行的综合工具相比特点并不突出，功能也不全面，但是Xilinx对自己的FPGA/CPLD内部的结构最为了解，所以XST对Xilinx器件的支持也最为直接，更重要的是XST内嵌在ISE中，安装ISE后可以直接使用，不需要另外付费。

7. 5.1 ISE5.2中的综合工具XST • ISE中XST设计流程的综合阶段约束文件与实现阶段约束文件的概念并不分明，综合阶段的约束条件常常通过实现阶段的约束文件来完成。

8. 5.1 ISE5.2中的综合工具XST • XST的综合约束文件是XCF（XST Constrain File），而在布局布线阶段，最重要的约束文件是用户约束文件UCF（User Constraint File），两者有着千丝万缕的关系，UCF几乎支持XCF的所有约束语言与命令。通常在使用XST综合流程时，仅仅通过综合属性设置来设置全局性的综合策略与参数，细化的约束是通过实现阶段的约束文件UCF完成的。

9. 5.1.1 XST的综合属性 • XST是内嵌在ISE中的，使用起来也非常方便。XST综合是自动完成的，但是用户可以对其相关的参数进行设置。参数设置的目的是使XST根据设计者的需要完成综合过程，以便达到设计要求。

10. 1.选择XST综合工具 选择综合工具

11. 2.XST综合属性 • XST的可设置参数比较多，适当的设置综合参数，可以在一定程度上提高综合质量。综合参数主要是一些综合策略，大部分是通过选择来完成参数的设定。下面对XST中的参数进行简单的介绍。在Process for current sources中的Synthesize图标上单击鼠标右键，然后选择Properties，弹出的综合属性设置对话框如图所示。

12. 2.XST综合属性 综合对话框

13. 2.XST综合属性 • （1）综合目标（Optimization Goal） • 综合目标设置可以确定综合时的全局优化目标是面积（Area）还是速度（Speed）。由于大多数情况下，系统运行的速度是相当重要的，所以在缺省（默认）状态下，此属性的值为速度（Speed）。

14. 2.XST综合属性 • （2）综合难度（Optimization Effort） • 综合难度用来指定XST的综合工作的程度，有两个值可供选择，如果对速度或者面积要求不是很高可以选择Normal，否则选择High。这里有一个问题需要注意，设计者不要寄希望于XST的综合效果，并不是选择High就一定得到好的综合结果，真正重要的是设计者要保证设计的质量。

15. 2.XST综合属性 • （3）综合约束文件（Synthesis Constraint File） • Synthesis Constraint File用于指定综合约束文件的所在路径。 （4）使用综合约束文件（Use Synthesis Constraint File） 如果设计中有综合约束文件，那么在指定综合约束文件的所在路径后在此参数后打上勾，使XST在综合时受到综合约束文件的约束。

16. 2.XST综合属性 • （5）全局优化目标（Global Optimization Goal） • 全局优化目标参数仅对FPGA有效，它用于一些时钟优化策略，包括的优化属性有： • 所有时钟节点约束（ALLCLOCKNETS） • 输入偏移约束（OFFSET_IN_BEFORE） • 输出偏移约束（OFFSET_OUT_AFTER） • 网线最大延迟约束（MAXIMUM_DELAY） • 输入到输出约束（INPAD_TO_OUTPAD）

17. 2.XST综合属性 这些约束主要用于指定寄存器之间，输入引脚到第一级寄存器之间，末级寄存器到输出引脚之间，输入引脚到输出引脚之间的约束策略。

18. 2.XST综合属性 • （6）生成寄存器传输级原理图（Generate RTL Schematic） • XST可以将综合结果生成RTL视图。通过RTL视图可以分析设计和修改设计。选择YES或NO确定是否需要生成RTL视图。

19. 2.XST综合属性 • （7）写时序约束条件（Write Timing Constrains） • Write Timing Constrains参数仅对FPGA有效，用以指定在HDL源代码或是XST约束文件中指定的时序约束关系是否对Xilinx的NGC网表有效。

20. 3.HDL代码参数设置 • HDL代码参数设置与XST的编译有关，也就是说告诉编译工具如何理解HDL代码。HDL代码参数选项对话框如右图所示。

21. 3.HDL代码参数设置 • （1）有限状态机编码方式（FSM Encoding Algorithm） • 有限状态机有多种编码方式，比较常见的有： 一位热码（One-Hot）、顺序编码（Sequential）、格雷码（Gray）等，在默认状态下，XST的有限状态机编码方式为自动编码（Auto），即根据器件中的资源进行有效的编码。

22. 3.HDL代码参数设置 • （2）RAM的提取方式（RAM Extraction） • RAM Extraction参数用来指定是否使用RAM宏单元。 • （3）RAM实现的类型（RAM Style） • RAM Style参数仅对FPGA有效。FPGA中含Block RAM（有块RAM）和可以形成Distributed RAM（分布式RAM），可以通过设置RAM Style使XST从代码中提取需要的RAM类型。

23. 3.HDL代码参数设置 • （4）ROM的提取方式（ROM Extraction） • ROM Extraction参数用来指定是否使用RAM宏单元。 • （5）ROM实现的类型（ROM Style） • ROM Style参数仅对FPGA有效。FPGA中含有块RAM（Block RAM）和可以形成分布式RAM（Distributed RAM），可以通过设置ROM Style使XST从代码中提取需要的ROM类型。

24. 3.HDL代码参数设置 • （6）多路选择器提取方式（MUX Extraction） • MUX Extraction参数仅对FPGA有效，有以指定是否使用多路选择器宏单元。 • （7）多路选择器实现类型（MUX Style） • MUX Style参数仅对FPGA有效，有以指定多路选择器宏单元的类型。缺省状态下为自动（Auto）。

25. 3.HDL代码参数设置 • （8）译码器提取方式（Decoder Extraction） • Decoder Extraction参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用译码器（Decoder）宏单元。 • （9）优先编码器提取方式（Priority Encoder Extraction） • Priority Encoder Extraction参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用优先编码器（Priority Encoder）宏单元。缺省为自动（Auto）。

26. 3.HDL代码参数设置 • （10）移位寄存器提取方式（Shift Register Extraction） • Shift Register Extraction参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用移位寄存器（Shift Register）宏单元。 • （11）逻辑移位寄存器提取方式（Logical Shifter Extraction） • Logical Shifter Extraction参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用逻辑移位寄存器（Logical Shifter）宏单元。

27. 3.HDL代码参数设置 • （12）异或单元合并方式（XOR Collapsing） • XOR Collapsing参数仅对FPGA有效，用于指定相关联的异或（XOR）单元是否合并为一个较大的异或宏单元。 • （13）资源共享（Resource Sharing） • Resource Sharing参数用于指定是否要求XST复用运算模块。

28. 3.HDL代码参数设置 • （14）乘法器实现类型（Multiplier Style） • Multiplier Style参数仅对FPGA有效，用于指定XST综合乘法器的类型，是基于查找表的（LUT）乘法器还是基于块乘法器（Block Multiplier）。

29. 4. Xilinx专用参数选项 • Xilinx专用参数选项对话框中包含了一些Xilinx专有的结构中可以设置的属性。Xilinx 专用参数选项对话框如右图所示。

30. 4. Xilinx专用参数选项 • （1）添加I/O缓冲器（Add IO Buffers） • Add IO Buffers参数用于指定是否需要在I/O上加上I/O缓冲器（IO Buffers） • （2）最大扇出数（Max Fanout） • Max Fanout参数仅对FPGA有效，用于指定信号和网线的最大扇出数。

31. 4. Xilinx专用参数选项 • （3）寄存器复制（Register Duplication） • Register Duplication参数仅对FPGA有效，用于指定是否允许进行寄存器复制（Register Duplication）。 • （4）等效寄存器删除（Equivalent Register Removal） • Equivalent Register Removal参数用于指定是否把寄存器传输级功能相等的寄存器删除，以减少资源占用。

32. 4. Xilinx专用参数选项 • （5）寄存器配平（Register Balancing） • Register Balancing参数仅对FPGA有效，用于指定是否需要寄存器配平。寄存器配平是使较长路径缩短，较短路径加长，使其达到平衡从而提高工作频率的一种技术。

33. 4. Xilinx专用参数选项 • （6）Slice打包（Slice Packing） • Slice Packing参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用Slice打包技术（Slice Packing），使相关路径查找表逻辑尽量布局在同一个Slice中，从而缩短查找表之间的布线距离，提高了设计频率。

34. 4. Xilinx专用参数选项 • （7）是否使用I/O内部的寄存器实现I/O寄存器 • （Pack I/O Register into IOBs） • Pack I/O Register into IOBs参数仅对FPGA有效，用于指定是否使用I/O内部的寄存器作为设计的第一级寄存器。