图解用registerbalancing方法解决时序收敛问题一例

1、PIPELINING, RETIMING, REGISTER BALANCING 是同一项技术的不同说法。可以手工操作，也可以交给 EDA工具自动执行。ripleriple在复杂的组合逻辑路径当中添加一级寄存器，通过增加一级流水线级别来割断关 键路径，这是解决时序收敛问题和提高电路时序性能最常用的方法。在hustzq博友的LPM函数的LPM_PIPELINE参数研究一文中，针对这一问题有详尽的 论述。在fpgasdr博友的cordic verilog程序及仿真结果 8级流水线和cqcrr博 友的pipiline加法器两篇文章中，还给出了具体的代码。这一方法是在RTL级别 进行流水线负载均衡操作

2、，是通过修改HDL代码半自动或完全手工实现的。riple在 Quartus II 的 Synthesis Netlist Optimizations 设置选项中，可以使能 Perfor m gate-level register retiming ； 在 Quartus II 的 Physical Synthesis Optimiz ati ons 设置选项中，还可以使能 Perform register duplicati on 和 Perform regist er retiming来进一步优化关键路径上组合逻辑路径的长度。这一方法是在gate级别进行流水线负载均衡操作，是通过Fitter

3、的时序驱动布局算法自动实现的。r iple在上述的两种方法中，手工设计多级流水线是应该优先考虑的。但是在实际操作中，往往有这样几种情况，导致手工优化变得很难操作。riple1. 没有从电路性能角度出发进行逻辑设计，导致忽略进行组合逻辑路径分割。2. 包含有优先级的组合逻辑，很难进行逻辑路径的分割。3. 包含复杂算法的组合逻辑，逻辑路径分割后，不能做到流水线各级负载均衡。4. 代码设计者并不了解器件底层结构，或者出于代码可移植性的考虑，不能顾 及底层结构，而不能手工进行有效的逻辑路径分割。在这样的情况下，就需要依靠Fitter的自动化寄存器复制和调整功能，来实现流 水线各级的负载均衡。riple

4、所以，在实际操作中，需要结合手工插入寄存器与自动化的寄存器调整功能：手工添加充足的寄存器供Fitter进行流水线负载均衡。寄存器并不一定需要精确插 入到组合逻辑路径的内部，只需要在组合逻辑路径的两端添加冗余寄存器，然后交给Fitter根据器件的底层结构进行精确的计算和权衡。一级冗余寄存器不够，就再增加一级。ripleriple在最近的一次分析和解决时序收敛问题的过程中，我就遇到了一个有趣的问题。 原有设计中手工添加了一个寄存器用以分隔DPRAM与后级模块内部的加法器。没有经过Fitter优化前，该组合逻辑路径过长；经过 Fitter优化后，关键路径仍 然存在于该寄存器附近。经过分析，由于该组合

5、逻辑比较复杂，仅一级寄存器并 不能提供给Fitter足够的资源进行有效的路径分割，通过手工添加了多一级的寄 存器，该问题得到解决。riple下面，就结合 Post-Mappi ng Tech no logy Map Viewer （布局前）和 Post-Fitti ng Tech no logy Map Viewer （布局后）对该问题及其解决过程进行图解：riple图1外部视图布局前,两个模块之间由一级寄存器unit_reg_str1O分隔riple外部视图布局后，寄存器unit_reg_str10被复制并移动到该模块内部，ram_block1a16 直接驱动该模块端口。riple图3内部视

6、图布局前，被驱动模块内部的两条组合逻辑路径：1. 从寄存器 unit_reg_str10到寄存器 unit_cycle_carryout （加法器逻辑）；2. 从寄存器 unit_reg_str10到寄存器 unit_cycle_carryout （比较器逻辑）。 两条路径分享共同的起点和终点。riple 布局后，被驱动模块内部的三条组合逻辑路径：图4内部视图1. 从 ram_block1a16 的 read_en 输入寄存器到寄存器 Add1477_NEW_REG1210 （加法器逻辑）；2. 从寄存器 Add1477_NEW_REG1210 到寄存器 unit_cycle_carryout

7、_NEW_REG1116 （简单组合逻辑）；3. 从寄存器 unit_reg_str10到寄存器 unit_cycle_carryout_NEW_REG1120（比较器逻辑）。寄存器unit_reg_str10被复制为Add1477_NEW_REG1210 并移动到加法器 之后。寄存器 unit_cycle_carryout 被复制为 unit_cycle_carryout_NEW_REG1116 和 u nit_cycle_carryout_NEW_REG1120 。由于加法器被移动到了等价于寄存器unit_reg_str10的寄存器Add1477_NEW_REG1210之前，ram_blo

8、ck1a16 与adder的组合逻辑成为最长的组合逻辑 路径，该路径造成时序违规。ram_block1a16可以被认为是一个复杂的组合逻辑， 该逻辑引入延时1.728ns。adder逻辑虽然有近20级，但是引入的延时只有3. 2ns。riple图5外部视图布局前，添加一级寄存器unit_reg_str_d110，增加一级流水线级别图6外部视图布局后，新添加的寄存器unit_reg_str_d110被复制和移动到后级模块内部。riple图7内部视图布局前，所有的组合逻辑路径被限制在寄存器unit_reg_str_d110与寄存器unit_cycle_carryout 之间。riple图8内部视图

9、布局后，被驱动模块内部的三条组合逻辑路径：1. 从寄存器 unit_reg_str10到寄存器 Add1477_NEW_REG860 （加法器逻 辑）；2. 从寄存器 Add1477_NEW_REG860 到寄存器 unit_cycle_carryout_NEW_REG2466 （简单组合逻辑）；3. 从寄存器 unit_reg_str_d110到寄存器 unit_cycle_carryout_NEW_REG2464 （比较器逻辑）。寄存器 unit_reg_str_d110被复制为 Add1477_NEW_REG860寄存器 unit_cycle_carryout 被复制为 unit_cycle_carryout_NEW_REG2466 和 u nit_cycle_carryout_NEW_REG2464虽然加法器移动到了 unit_reg_str_d110之前，但是仍然在unit_reg_str10 寄存器之后，ram_block1a16与adder不再构成组合逻辑路径，最长的组合逻 辑路径被成功割断。riple从上面的图中可以看到，该组合逻辑的复杂之处在于：1. ram_block1a16的组合逻辑不能被进一步分割；2. Adder的组合逻辑虽然可以分割，但是由于同一个MLAB内部存在速度极快的进位链，多级加法器之间不用寄存器分割反而能够获得更快的电路。由于上面的