Vivado使用技巧（22）：综合策略与设置的选择

综合（Synthesis）是指将RTL设计转换为门级描述。Vivado开发套件中的综合工具是一款时序驱动型、专为内存使用率和性能优化的综合工具，支持System Verilog 2012、Verilog 2005、VHDL 2008、混合语言中的可综合子集，以及XDC设计约束文件（基于工业标准的SDC文件），此外还支持RTL属性来控制综合细节。

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综合设置选项

在Flow Navigator中点击Settings，切换到Synthesis标签中：

1.Constraints部分

选择用于综合的约束集，一个约束集是一组XDC约束文件，默认选择状态为active的约束集。设计约束分两种：

• 物理约束：定义管脚布局、单元（如块RAM、查找表、触发器等）布局的的绝对或相对位置；
• 时序约束：定义设计的频率需求。如果没有时序约束，Vivado会根据布线长度和布局拥挤度优化设计。

2.Options部分

选择综合运行时使用的策略（strategy）。Vivado提供了几种预定义的策略，后文将讲述如何创建自定义策略。这里给出综合策略中每个设置选项的含义：

• flatten_hierarchy：定义综合工具如何控制层次结构（比如模块之间的调用），选择将所有层次展开融为一体进行综合，还是分别独立综合再连接到一起。
  
  • none表示从不展开层次结构，综合输出与原始RTL有相同的层次；
  • full表示全部展开层次结构，只留下顶层；
  • rebuilt让综合工具展开层次结构后进行综合，综合后再按原始RTL重建层次结构。这样既保留了跨界优化的好处，又让最终层次结构与RTL类似，便于分析。
• gated_clock_conversion：选择是否将门控时钟转换为使能信号。设计中应该避免使用门控时钟，需要的时钟信号应尽可能由MMCM/PLL产生。转换过程需要与RTL属性配合工作，具体在第24篇介绍。
• bufg：设置综合工具可以从设计中推断出多少个BUFG。比如使用默认的12时，如果RTL中实例化了3个BUFG，那么综合工具最多还可以推测出9个没有明确实例化的BUFG。
• fanout_limit：设置一个信号的最大驱动负载数量，如果超出了该限制，就会复制一个相同的逻辑来驱动超出的负载。这里只是一个总体设置，在RTL设计中还可以使用RTL属性进行更具体的设置，具体在第24篇介绍。
• directive：设置Vivado综合运行时擦爱去的优化方式，具体包括
  
  • Default，默认设置。
  • RuntimeOptimized，执行最短时间的优化选项，会忽略一些RTL优化来减少综合运行时间。
  • AreaOptimized_high/medium，执行一些通用的面积优化。
  • AlternateRoutability，使用算法提高布线能力，减少MUXF和CARRY的使用。
  • AreaMapLargeShiftRegToBRAM，将大型的移位寄存器用块RAM来实现。
  • AreaMultThresholdDSP，会更多地使用DSP块资源。
  • FewerCarryChains，位宽较大的操作数使用查找表（LUT）实现，而不用进位链。
• retiming：启用该功能，可以通过在组合门和LUT之间移动寄存器（达到寄存器平衡状态）提高内部时钟时序路径的电路性能。该功能会保留原来的功能和电路延迟，也不需要改变RTL源文件。
• fsm_extraction：设置综合如何从设计中提取和映射有限状态机，具体在第24篇介绍。
• keep_equivalent_registers：阻止合并有相同输入逻辑的寄存器。
• resource_sharing：设置不同信号间共享算数操作符，选择为auto时设计会根据设计时序判断是否进行资源共享。
• no_lc：选中会关闭LUT组合。
• no_srlextract：选中该选项时，移位寄存器会用普通的寄存器实现，而不用FPGA内部专用的SRL资源。
• max_bram：设置设计中运行使用的最大块RAM数量。通常当设计中有黑盒子或第三方网表时，使用该选项来节省空间。默认值为-1，表示允许使用该FPGA中所有的块RAM。
• max_uram：设置设计中运行使用的最大UltraRAM数量（对于UltraScale架构FPGA而言）。-1，表示允许使用该FPGA中所有的UltraRAM。
• max_dsp：设置设计中运行使用的最大DSP块数量。通常当设计中有黑盒子或第三方网表时，使用该选项来节省空间。默认值为-1，表示允许使用该FPGA中所有的DSP资源。
• max_bram_cascade_height：设置可以将BRAM级联在一起的最大数量。
• max_uram_cascade_height：设置可以将URAM级联在一起的最大数量。
• cascade_dsp：设置在求DSP块输出总数时使用多少个加法器，默认计算时会使用块内部的加法器链。设置为tree会强制将该计算在fabric结构中实现。
• no_timing_driven：禁用默认的时序驱动综合算法，这样可以减少综合运行时间，但会忽略综合中时序的影响。
• sfcu：在单文件编译单元模式下运行综合。
• assert：将VHDL中的assert状态纳入评估。失败或错误级别会停止综合进程并产生一个错误信息；警报级别会产生一个警告信息。
• tcl.pre/tcl.post：选择tcl文件，在综合前和综合后会自动运行其中的命令。这两个文件应该放在相应的运行目录下，如project/project.runs/run_name。

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创建综合策略

除了Vivado提供的配置好的综合策略外，还可以自行配置。在Settings中根据需要修改了设置选项后，点击右侧的Save strategy as按钮（如下图红框），会弹出窗口，填写策略名称和相关描述，即可保存为用户自定义的综合策略。综合策略列表的User defined strategies中即会出现自定义的综合策略。

在Settings->Tool Settings->Strategies中也可以设置综合策略，点击“+”即可新建策略。如果想在已有策略的基础上修改，则选中一个策略，点击上方的Copy Strategy按钮，User Defined Strategies中就会出现备份以供修改（Vivado提供的策略是不能修改的）。点击Apply应用配置后，综合策略列表中就会出现自定义的策略。

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控制文件编译顺序

综合时必须选取合适的编译顺序，比如一个文件需要用到另一个文件中的相关申明。Vivado按照RTL文件的层次化结构编译文件，相关顺序显示在Sources窗口的Compile Order子窗口中（在底部选择切换）。

Vivado可以自动识别和设置最佳的顶层模块，同时自动管理编译顺序。顶层模块文件和该层次结构下所有的文件，都会以正确的顺序用于综合和仿真。Sources窗口的右键菜单->Hierarchy Update命令用于设置Vivado如何处理设计中文件的改动。

Automatic Update and Compile Order设定当源文件发生改动时，工具自动管理编译顺序，Compile Order窗口中将显示编译顺序，Hierarchy窗口中显示文件是否在层次结构中使用以及所处的位置。

Automatic Update, Manual Compile Order设定Vivado可以自动决定最佳顶层模块，但是允许人工设定编译顺序。在Compile Order窗口中拖动文件所处位置即可完成修改。

Vivado支持将Verilog(.v)或Verilog Header(.vh)文件作为全局`include文件。Vivado会在其它源文件前优先处理此类文件。选中需要添加的文件，右键->Set Global Include即可，或者在属性窗口中选中相应复选框。