多片FPGA原型的兩種分割方式介紹

綜合工具的任務是將SoC設計映射到可用的FPGA資源中。自動化程度越高，構建基于FPGA的原型的過程就越容易、越快。

SoC設計到FPGA原型設計的三個“定律”：

法則1：SoC規模一般大于單個FPGA規模（SoC的規模一般比較大）

法則2：SoC速率比FPGA速率更快（FPGA雖快但不及SoC快）

法則3：SoC設計方法和FPGA設計方法是有些不一致的（需要移植）

這些“定律”的會帶來如下挑戰：

a)? 設計可能需要分割到多片FPGA系統；

b)? 該設計可能無法以全SoC速度運行；

c)? 為了使FPGA就緒，設計可能需要一些代碼的返工移植工作。

誠然，這些挑戰確實比較大，有時會被打破，例如，一些SoC設計確實只需要一個FPGA來原型，從而打破了第一條法律。然而，這三條定律很好地提醒了使用基于FPGA的原型時需要克服的主要問題，以及為FPGA做好設計準備所需的步驟。

綜合方法? ? ??

執行原型設計的最重要原因之一是與其他驗證方法（如Simulation）相比，實現盡可能高的性能；然而，綜合結果如果不夠完美會危及這一目標。為了實現更快的運行時間，一些合成工具允許使用快速通過的低工作量綜合，或者減少綜合目標是很有吸引力的，正是為了這種權衡。然而，在某些設計塊中，為了滿足原型的總體性能目標，必須獲得最佳的綜合結果。綜合工具有許多特性，通常對原型開發人員有益。其中包括：

快速綜合：一種操作模式，其中綜合工具忽略一些完全優化的機會，以便更快地完成綜合。通過這種方式，以FPGA性能為代價，可以使運行時間比正常速度快2到3倍。如果綜合運行時間以小時為單位，那么這種快速模式將在原型項目期間節省許多天或數周的等待時間。快速合成運行時在最初的分區和實現試驗中也很有用，因為只需要估計設計大小和粗略的性能。

增量綜合：在這種操作模式中，設計被視為每個FPGA內的塊或子樹。綜合工具維護每個子樹的歷史版本，并可以注意到新的RTL更改是否影響每個子樹。如果增量綜合識別出子樹沒有改變，那么它將避免重新綜合，而是使用該子樹的歷史版本，從而節省大量時間。增量綜合引擎的決策作為放置約束被前向注釋到后端布局布線工具，以便保持先前的邏輯映射和布局。考慮使用增量綜合可以顯著減少從小型設計變更到FPGA板上最終實現設計的周轉時間。

物理綜合：一種針對物理實現優化綜合的功能，其中工具考慮了實際的路由延遲，并產生邏輯布局約束，供布局布線工具使用。該特征通常為設計產生更快和更準確的定時閉合。這似乎與我們對上述快速綜合的考慮相矛盾，但通常情況下，原型中的一個特定FPGA難以達到全速，因此選擇性地使用物理綜合是一種使FPGA能夠更快地完成定時關閉的方式。

盡管FPGA容量已根據摩爾定律增加，但SoC設計本身的尺寸和復雜性也有所增加，因此SoC設計通常仍大于當今最大的FPGA設備。因此，原型設計的第一定律越來越在多數情況下顯得正確，那么FPGA原型設計者面臨的任務是將SoC設計劃分為多個更小的FPGA器件。

RTL級別的分區? ? ??

當在綜合之前對設計進行分區時，輸入格式是SoC設計的RTL。分割的任務是從總體設計樹中創建FPGA大小的子設計的過程，可以在一定程度上實現自動化。下圖顯示了RTL分割工具流程中的步驟。

該流程通常是自上而下執行的，這要求分區工具和它們運行的工作站具有容納整個SoC設計的能力，其數據量可達千兆字節。因此，工具效率和運行時間可能成為重要因素，需要考慮從RTL更改到新版本的設計分區并在原型板上運行。

最初，RTL分割方法要求在整個設計中進行編譯和合成，這可能會導致運行時間過長，并需要大量的服務器資源。然而，在所有FPGA上并行執行FPGA綜合，這需要分割工具對每個FPGA的最終結果進行估計，以便推斷每個設備上IO的時序預算。好處是，通過并行運行多個綜合工具，總運行時間大大提高。每次RTL更改和bug修復的周轉時間都會相應減少，特別是在使用增量綜合布局布線技術的情況下。

這種流動的缺點是它實際上是一種雙通道流動。為了進行正確的分割，需要了解每個RTL模塊所需的最終FPGA資源。如果可能的話，如果定時驅動分區是我們的目標，那么每個模塊邊界的時序知識也會很有用。這種對資源和時間的準確了解只能來自綜合（或者最好來自地點和路線）。因此，在將結果反饋給分區器之前，我們需要提前跳過并預運行綜合。為了估計資源和時間，綜合以快速通過自動模式運行。因此，盡管是兩程流程，但實際上預合成似乎是單程流程中的額外“估計”步驟。

自頂向下的RTL分割功能最強大的情況是性能，特別是FPGA間性能至關重要。通過自上而下的工作和使用系統級約束，RTL分割允許同時在多個FPGA之間對時間進行預算和約束。該合成還更能夠考慮板級延遲和引腳復用，以便在各自的流中正確地約束各個FPGA。

綜合后網表級別分割? ? ??

下圖顯示了單個模塊如何被合成并分別映射到FPGA元件中，從而產生大量的門級網表。網表被組合成一個層次結構，然后重新分組為FPGA大小可以容納的規模。同時，為FPGA調整網表（例如，將門控時鐘更改為啟用），并為將在外部建模的模塊（例如，RAM）創建包裝器。

網表分割的主要優點是，只有那些已更改的RTL源文件才被重新合成，而其他RTL文件的結果不會被更改。綜合生成的網表并進行分區結果也很可能是可重用的，除非模塊邊界已經改變。這有助于更容易的自動化和作為流編寫腳本。