關于增量編譯

所謂增量實現，更嚴格地講是增量布局和增量布線。它是在設計改動較小的情形下參考原始設計的布局、布線結果，將其中未改動的模塊、引腳和網線等直接復用，而對發生改變的部分重新布局、布線。

這樣做的好處是顯而易見的，即節省運行時間，能提高再次布局、布線結果的可預測性，并有助于時序收斂。

增量實現由兩個流程構成：原始流程和增量流程，如圖所示。其中，原始流程提供網表。這里的網表可以是布局后的DCP文件，也可以是布線后的DCP文件。



增量實現流程有兩種模式：高復用模式和低復用模式。在高復用模式下，布局、布線會盡可能地復用已有布局、布線的結果。

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用模式。

情形1：很小的設計改動。

情形2：與原始設計相比，更新后的設計只是添加了調試模塊，如ILA等。 由此可見，高復用模式在網表時序收斂且多達95%的邏輯單元被復用時最為有效。

與高復用模式相比，低復用模式則適用于更新后的設計與參考設計相比有較大的改動，或者用戶通過read_checkpoint的選項?reuse_objects指定復用邏輯單元的情況。此時，place_design和route_design的所有?directive均可用。

當布局、布線在某些區域面臨挑戰時，低復用模式更為有效。例如，從網表中獲得較好的Block RAM和DSP的布局，或者時序難以收斂的邏輯單元。這些都可通過Tcl命令獲得。

一般來說，增量編譯都是與設計鎖定聯合使用的。

設計鎖定與增量編譯方法

為了實現對模塊的布局（place）、布線（route）的鎖定，僅適用增量編譯是不夠的，因為增量編譯的本質目的是為了實現編譯時間的縮短，還需要引入設計鎖定，設計鎖定的TCL命令是：lock_design –level routing

下面例說操作方法。

（1）建立工程：建立一個工程，走完綜合實現的流程，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,后面對比要用到這個工程）；



圖1 建好的工程

（2）找到dcp文件：增量編譯需要有一個參考文件，這個參考文件是“參考設計”實現之后生成的，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，新建一個文件夾（名字是dcp_file），將該文件復制到其中，如圖3所示；



圖2 dcp文件



圖3新建文件夾，復制dcp文件

（3）鎖定設計：前面說道，簡單的增量編譯是不能保證模塊固定在某個位置的，為了實現這一點，需要對設計進行鎖定，方法是，打開一個新的Vivado界面，然后打開dcp_file文件夾下的dcp文件（注意選擇“open checkpoint”），如圖4所示；打開后，在TCL Console中輸入命令：“lock_design –level routing”，點擊左上角保存，如圖5所示，做完這一步后，設計就鎖定好了，dcp文件就可以用了；



圖4 vivado打開dcp界面



圖5 鎖定設計并保存

（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：Flow > Create Runs；

3）選both，點next，如圖7所示；

4）勾選make active，點next，如圖8所示；

5）選Do not launch now，點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）中準備好的dcp文件，示意圖如圖11所示（注意這只是一個示意圖，圖中選的文件不是步驟（3）準備好的那個文件）

8）開始綜合、實現，完成增量編譯過程。



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、正確性驗證

怎么證明增量編譯后，原始設計成功鎖定了呢？我們來做一個對照實驗。

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：原始工程復制一份出來，不進行增量編譯，直接修改代碼（見圖6），重新綜合實現，名稱是：modify_project。

打開三個工程，之后open implemented design，選取幾個模塊，觀察其在FPGA上的位置，發現樣本1和樣本2位置完全一樣，而樣本3和前兩個樣本不一樣，說明設計鎖定是成功的，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下如何鎖定設計的模塊的布局布線

Xilinx官方論壇上也有相關問題的回答。

Vivado下如何鎖定設計模塊的布局布線 問題： 我現在設計了一個延時模塊，應用后需要把該模塊的布局和布線全部鎖定，然后在別的項目中直接調用。現在布局沒有問題。可以通過約束文件來鎖定，就是布線不能大范圍鎖定，否則應用時會失敗。

我已經嘗試過增量編譯（調用DCP文件）的功能，發現在增量編譯中布局布線并不是全部不變的，個別走線也是會變的。

請問有辦法把布線也固定下來嗎？（Tool: Vivado17.3 Device: K7）

回答1：如果你用的是Ultrascale/Ultrascale+ , 我覺得PR是個不錯的選擇，你的目標模塊可以放在靜態部分，只占據很小的一塊面積，剩下大塊的動態部分.但是7系列有很多primitive不能放在動態，靜態的部分包含的邏輯過多，剩下供你修改的邏輯偏少，不太適合目前的應用場景.

回答2：關于鎖定某一個net的布線路徑，請參考以下步驟：

1.打開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，右鍵菜單點擊Fixed Routing，如下圖所示:



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

4. 打開導出的xdc，在最下面的部分會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，信號是連到LUT2的I0端，映射到BEL pin是A3。




因此上述導出的位置鎖定約束中還有一個LOCK_PINS的設置：

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

溫馨提示： 我們并不建議完全鎖死某個模塊的所有布線，當合入的工程比較復雜，用到的布線資源較密集時，工具沒有靈活性去調整和優化，有很大的概率會布線失敗。

劃分靜態區和動態區

除了上述的邏輯鎖定方法之外，Xilinx 的FPGA還提供了靜態區和動態區的劃分也可以實現邏輯的鎖定。只不過靜態區占據了大多數的空間，動態區是可以隨意修改的小部分空間。

FPGA提供了現場編程和重新編程的靈活性，無需通過改進的設計進行重新制造。部分重配置（PR）進一步提高了這種靈活性，允許通過加載部分配置文件（通常是部分BIT文件）來修改操作FPGA設計。

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中的可重配置區域，而不會影響在未重新配置的設備部分上運行的應用程序的完整性。



部分可重構的基本前提

如圖所示，通過下載幾個部分BIT文件A1.bit，A2.bit，A3.bit或A4.bit中的一個來修改在重新配置塊A中實現的功能。

FPGA設計中的邏輯分為兩種不同的類型，可重構邏輯和靜態邏輯。FPGA塊的灰色區域表示靜態邏輯，標記為Reconfig Block“A”的塊部分表示可重配置邏輯。靜態邏輯仍然有效，并且不受加載部分BIT文件的影響。可重配置邏輯由部分BIT文件的內容替換。

為什么在單個FPGA器件上動態地對多個硬件進行時間復用的能力是有利的。

這些包括：

?減小實現給定功能所需的FPGA器件尺寸，從而降低成本和功耗

?為應用可用的算法或協議選擇提供靈活性

?實現設計安全性的新技術

?提高FPGA容錯能力

?加速可配置計算 除了減小尺寸，重量，功耗和成本之外，部分重配置還可以實現沒有它的新型FPGA設計。




審核編輯：劉清