AMD FPGA设计优化宝典笔记（5）低频全局复位与高扇出

亚军老师的这本书《AMD FPGA设计优化宝典》，他主要讲了两个东西：
第一个东西是代码的良好风格；
第二个是设计收敛等的本质。
这个书的结构是一个总论，加上另外的9个优化，包含的有：时钟网络、组合逻辑、触发器、移位寄存器、存储器、乘加运算单元、状态机、扇出、布线拥塞。大部头的书看起来比较痛苦，我简化的方式，选择触发器一章入手，这个平时有点了解，也觉得看完会用上的概率大一些。这章是书的第4章，全局复位方面的内容，接前面的我的文章：

全局复位

P197
电路板上的按压开关复位信号，做全局复位，带来的影响是什么？
这种全局复位信号，频率比较低，如果用作FPGA内部的同步复位，那这个信号本身扇出就会很大，再由于频率较低导致的建立时间变小了，容易让不同级的寄存器的复位不在同一个时钟内激活、时序不收敛。
在流水线寄存器处理数据中，问题可能不大，不同级的寄存器的复位不在同一个时钟内激活，但老数据可以被新数据冲掉，若干时钟周期后，流水线就正常运转了。
但如果这是一条流水线寄存器用作控制路径，无法在同一个时钟周期内激活各个寄存器的复位，会导致信号错误，功能就不对了。

补充信息 名词解释：

1 扇入、扇出系数：

扇入系数是指门电路允许的输入端数目。
扇出系数是指一个门的输出端所驱动同类型门的个数。扇出系数体现了门电路的负载能力。

2 高扇出

高扇出指的是一个逻辑单元驱动的逻辑单元过多。常见于寄存器驱动过多的组合逻辑单元。至于驱动多少逻辑单元算过多，需要根据工艺，后端实现情况以及芯片本身类型来决定。一般来说如果驱动逻辑大于10K以上，算是比较多的了。
高扇出问题，通常是指用一个节点驱动多个下级逻辑器件，此问题会严重影响FPGA布线的稳定性，设计的时候要多加注意，此时采用的是复制寄存器策略。

举个例子：CLK为系统时钟，M为1MHz方波信号，由于M信号驱动的模块较多，所以M的扇出较多，为了减少扇出，用系统时钟采样，将M信号驱动7个D触发器，然后将7个D触发器的输出端分给7个模块，这样每个复制点(DUP0~DUP6)平均扇出变为原来的1/7，M的信号扇出变为7，这样就减少了每个信号的扇出，优化了逻辑，也提高了设计的整体性能。简而言之，就是将一路信号用D触发器和CLK将其分成两路信号，或者是更多路的信号，再让这些信号来驱动下面的各个模块。

高扇出有哪些危害？（从ASIC设计的角度讲的）
危害1：驱动能力下降，时序紧张
扇出过高也就是也就意味了负载电容过大，电路原理基础中，负载电容越大，充放电速度越慢，电平跳变所需要的时间增加，即驱动能力下降，时序更加紧张。面对高扇出的情况，后端工具通常会通过插入buffer增加驱动能力，然后插入buff又会增加延时，造成时序紧张。
危害2：不利于布局布线，会增加走线延时
高扇出的情况通常意味着负载end_point分布在block的各个位置。而驱动的start_point需要放置在相对应的中心位置，这就意味到start_point到end_points的走线延时较大，一旦时序紧张，后端工具需要花费很多时间去优化，往往结果还不理想。

在遇到信号高扇出时三种思路，对于普通信号可采用①寄存器复制或者②设置max_fanout属性优化；而对于复位信号，可③加入BUFG优化。