FPGA系统架构设计实践5_IP的封装优化

控制集（control set）

a）概念
1）控制集是一个与触发器FF时序逻辑紧密相关的概念，主要用于描述影响触发器行为的控制信号组合。它是FPGA逻辑实现、资源利用、时序优化的关键考量因素，并非物理上的硬件模块，而是从逻辑和布线角度对触发器控制信号的抽象归类。控制集定义为一组共同作用于触发器的控制信号（clock、reset、set、enable等）的唯一组合。具体来说，每个触发器的行为由两类信号决定：数据信号+控制信号。当两个触发器的所有控制信号（时钟源、复位类型、使能信号等）完全一致时，它们属于同一个控制集，只要有一个控制信号不同（哪怕时钟源相同但复位类型不同，或使能信号不同），就属于不同的控制集。
2）与底层硬件关联：7系列FPGA每个slice包含8个FF，这些FF共享部分控制信号的布线资源。同一控制集的触发器可以共享控制信号的布线资源，而不同控制集的触发器需要独立的布线资源。这直接决定了控制集对资源利用和时序的影响。在Xilinx FPGA的slice中，触发器的控制信号接口是有限的，即一个slice的8个触发器可能只能接入2个不同的时钟源或3个不同的复位信号。若多个触发器属于同一控制集，它们可以被打包到同一slice中，共享控制信号布线，充分利用slice资源；若触发器分属不同的控制集，每个控制集可能需要占用独立的slice控制端口，导致slice中未使用的触发器资源被浪费。
3）此外，控制信号的布线延迟是时序预算的重要组成部分。同一控制集的触发器共享控制信号布线，延迟一致性好，工具可更精确地优化时序。不同控制集的触发器需要独立布线，可能导致：控制信号布线长度增加（尤其是全局时钟网络被占用后，不得不使用区域布线，延迟更大）；控制信号到达不同触发器的skew增大，恶化建立时间和保持时间；工具在布局布线时需要为每个控制集单独优化，增加了时序收敛的难度。

b）量化指标
1）可以通过资源利用率、时序性能、控制集分布特征等维度的量化指标间接评估。这些指标的核心逻辑是：合理的控制集应在满足功能需求的前提下，使资源利用率最大化、时序性能最优，且控制集数量与设计规模匹配。
2）直接量化指标：控制集自身的分布特征。
①控制集总数量：对于小规模设计（＜1K触发器），控制集数量应该＜50。中大规模设计（1~100K触发器），控制集数量应该＜触发器总数的5%。
②平均每个控制集包含的触发器数量：理想值通常应该＞5。=1时表明每个触发器独占一个控制集，此时slice资源利用率很低。
③小控制集占比：仅包含≤2个触发器的控制集数量÷控制集总数量。合理范围应该＜20%。
④slice的触发器利用率：若slice的总利用率高，但触发器利用率低，说明大量slice因控制集冲突被占用，但内部触发器未充分利用。触发器利用率应与slice总利用率匹配。
⑤时钟偏斜：合理控制集下，同一控制集的时钟skew应较小（通常小于1ns）。若某控制集的时钟skew显著大于其他集，可能因控制集过多导致布线资源紧张。类似的有复位/使能信号的最大延迟。
⑥可查看vivado在布局布线后报告的控制信号布线拥挤程度。

使用QoR建议和QoR评估帮助时序收敛

a）QoR建议报告命令（report_qor_suggestions）可使Vivado对设计进行分析，并提供自动化解决方案以提升结果质量。该命令可在综合后或实现流程的任意阶段，对已打开的设计运行。RQS命令会评估设计并提出修复或改进建议，其建议形式分为以下两类：
1） RQS对象：此类对象可向指定命令添加开关，或向指定设计对象添加属性，还允许借助机器学习算法，添加为设计定制的实现策略。
2）需用户干预的文本建议：此类建议需用户手动操作才能生效（如修改RTL代码、调整约束等）。

b）借助相同的分析技术，QoR评估报告命令（report_qor_assessment）可评估设计满足时序要求的可能性，并提供设计指标的快速汇总。

c）report_qor_assessment（简称RQA）命令可在实现流程的任意阶段执行，包括synth_design、opt_design、place_design、phys_opt_design、route_design之后。RQA会生成一个评估分数，用于指示设计满足时序要求的可能性，同时提供快速初步分析，列出需进一步排查的问题项。此操作将打开评估报告，该报告包含三个核心章节：评估汇总、需排查的难点时序路径、含DONT_TOUCH属性的对象。
1）

本章节展示了评估分数（如2 - 实现流程可能完成，但时序无法满足），并推荐运行report_qor_suggestions (RQS) 来获取优化QoR的具体建议。通过RQA命令可以检测是否存在可优化的RQS建议，并提供相应的问题排查指南。
2）

该章节列出导致当前评估分数的具体项（因勾选了报告达标指标，会显示标注为OK的达标项；默认仅显示需REVIEW的问题项）。以本实验为例，可看到WNS（最差负建立裕量）和TNS（总负建立裕量）指标标注为REVIEW（如 WNS=-0.396、TNS=-0.396），同时存在路径超过Net/LUT预算的问题。注：时序路径的指标通常反映最佳场景下的理论值，并非所有路径都能达到该值；而Net/LUT预算检查会用更贴近实际的Net延迟和LUT延迟值替代理论值，对因网表结构或资源稀疏导致的高难度路径进行惩罚标记，需优先排查这些路径。
3）

在难点时序路径选项中选择Net/LUT预算（Net/LUT budget）后，重点需关注以下两个参数：
i）Net检查裕量（Net Check Slack）：替换为更高网线延迟值后的路径时序裕量；
ii）LUT检查裕量（LUT Check Slack）：替换为更高LUT延迟值后的路径时序裕量。
通过双击路径可快速调出时序路径报告（Timing Path report），或使用F4快捷键查看路径原理图。这些操作均支持Vivado的cross-probing功能，方便用户深入分析路径延迟原因。
4）

在Design Runs窗口中，选择实现运行，展开属性窗口找到MIN_RQA_SCORE属性，设置后，若RQA评估分数低于该阈值，实现流程将终止（RQA最低分为 1，故需设为2及以上才生效）。
5）要自动生成 QoR 评估报告，请按以下步骤操作：打开实现运行属性窗口、切换到Reports签页、在Report Strategy下拉菜单中，选择Timing Closure Reports Strategy、其他可选配置方式：创建自定义报告策略，在Tcl hook中添加report_qor_assessment命令（注意：该命令需在运行目录下执行才有效）。

d）report_qor_suggestions（简称RQS）命令可在综合后的任意实现流程阶段（项目模式下通常为综合或实现后；非项目模式下可在synth_design、link_design、opt_design、place_design、phys_opt_design或route_design后），对已打开的设计运行。
1）GENERATED_AT（显示建议生成时的设计阶段，典型值为place_design或route_design）、APPLICABLE_FOR（需重新运行该阶段，建议才能生效）、AUTOMATIC（指示建议是否可自动执行，自动建议包括推荐工具开关（如opt_design -directive Explore）或给单元 / 网线添加属性）、INCREMENTAL FRIENDLY（指示建议是否适配增量流程）、SCOPE（指示目标综合运行层级，GLOBALSCOPE为顶层，否则为子模块）。
2）

在GENERATED视图中，点击RQS_NETLIST_10_1行。从APPLICABLE_FOR列可见，该建议为自动可执行（AUTOMATIC=Yes） 且适用于synth_design，这意味着需重新运行synth_design命令才能应用该建议。
3）

选中该行后，QoR建议属性（QoR Suggestion Properties） 窗口将显示该建议的属性。查看COMMAND属性可确认：该建议将为synth_design生成前向重定时属性（set property RETIMING_FORWARD 2），用于平衡时序路径。
4）
可通过勾选 / 取消勾选建议旁的复选框，筛选需写入文件的建议。例如，取消勾选RQS_XDC_1_1以排除该建议。

e）Run with Suggestions
1）



运行打开后，RQA Summary。可见QoR评估分数从2（时序无法满足）提升至 3（设计有小概率成功），证明RQS建议已初步生效。在 QoR评估报告中，选择评估详情，可见原标注为REVIEW的Net/LUT 预算超标问题已消失，仅剩余DONT_TOUCH 对象等非时序类问题。
2）当place_design完成后，打开新实现运行的实现日志文件（implementation log），查看文件顶部的QoR建议读取汇总表格。

3）打开布局后检查点并重新生成RQS报告，新报告的建议报告（Suggestion Report）下新增以下章节：GENERATED（当前阶段生成的新建议）、APPLIED（已成功应用的建议，如上一步综合/布局中执行的自动建议）、EXISTING（之前生成但未应用的建议）、FAILED TO APPLY（因设计对象已不存在而应用失败的建议）。

f）建议积累
1）RQS会在设计流程的不同阶段生成不同建议，核心原因是设计状态随流程推进不断更新，RQS可利用更精准的信息生成优化方案。各阶段信息精度变化如下：时钟估计（布局后的时钟延迟、skew等参数估计更准确）、拥塞信息（布局后开始获取拥塞数据，布线后拥塞分析精度进一步提升）、时序估计（时序裕量的计算精度随流程推进逐步提高，且受分析路径数量影响）。

g）自动运行QoR建议
1）AUTO_RQS流程会在opt_design、place_design以及实现运行结束时（route_design或post_route_phys_opt_design）自动生成QoR建议，并完成生成→应用→积累的全流程，无需用户手动干预。
2）在 AUTO_RQS 流程中，优化后的建议列表分三个阶段生成，所有建议始终以最大化QoR提升为目标。各阶段建议的生成时机和功能如下：阶段1在opt_design后，基于优化后的设计生成建议，如果建议的生效阶段（APPLICABLE_FOR）属于后续流程（如place_design），则自动在当前运行中启用并在后续阶段应用；阶段2在place_design后，利用布局后的精准信息（如时钟偏差、初步拥塞情况）生成新建议；阶段3在最终步骤后（route_design或post_route_phys_opt_design），结合布线后的完整信息（如实际路径延迟、拥塞分布）生成最终建议，将此阶段建议与阶段2的布局建议、阶段1的优化建议进行合并，最终将所有建议写入RQS文件。当运行被重置（Reset Runs）时，合并后的RQS文件会自动写入utils_1源文件集；在下一次运行中，所有建议将被自动应用。
3）

4）
运行完成后，在实现运行属性窗口中，切换到报告标签，在报告列表中选择QoR Suggestions（QoR 建议报告），该报告由AUTO_RQS流程自动生成，包含以下关键信息：报告生成时机（分别在opt_design、place_design、route_design后生成）、建议状态（标注每条建议的 GENERATED_AT、APPLICABLE_FOR、APPLIED/FAILED TO APPLY）。

使用dataflow

a）DFV能够帮助深入理解设计中影响布局布线质量的关键部分，实现方式如下：在经过数据流优化的简化网表中，识别宽总线、高带宽总线；识别与这些总线相关的单元 ，此类单元的布局对设计的布局质量有显著影响；生成与目标宽总线相关的多单元路径，为布局分析提供更全面的视角；生成布局规划（floorplan），将总线上的关联单元整合放置，优化布线效率。

b） （未完待续）