Vivado使用技巧（3）：HDL/XDC中设置综合属性

Vivado综合工具支持直接在RTL文件或XDC文件中设置综合属性。如果Vivado识别出设置的属性，会创建与之相关的逻辑电路；如果不能识别设置的属性，会将该属性和值存放在生成的网表中。因为某些属性，例如LOC约束适用于布线过程，因此必须保留该属性配置情况以用于之后的过程；

本文将介绍Vivado综合工具支持的所有属性设置，并给出Verilog示例：

1.ASYNC_REG

将reg类型配置为可以在D输入管脚接受异步数据的寄存器，或者带同步链的同步寄存器。该属性默认为FALSE，可设置为TRUE ；

(* ASYNC_REG = “TRUE” *) reg [2:0] sync_regs;//verilog示例

 

在异步跨时钟域场合，对于控制信号常使用双触发器完成跨时钟域操作，如下图所示：

此时对于1号寄存器要使用综合属性 ASYNC_REG有以下两个目的：

(1)表明1号触发器接受的数据来自于与接收时钟异步的时钟域；

(2)表明2号触发器是同步链上的触发器

从而保证1、2号触发器会被放在同一个slice中，减少线延时对时序的影响；

2.BLACK_BOX

当设置了该属性时，Vivado综合工具会为该模块创建一个黑盒子，模块内部的所有层次结构对外都不可见，该功能多用于调试过程。该属性可以设置在module、entity或component上，只能在RTL中设置。示例如下： 

(* black_box *) module test(in1, in2, clk, out);  //Verilog示例，不需要设置值

3.CASCADE_HEIGHT 

该属性只适用于UltraScale架构的FPGA，用于设置将块RAM级联为大型RAM的最大长度。通常工具会根据创建的RAM选择如何级联块RAM，该属性可以用于缩短级联链的长度。需要在RTL中设置，值为0或1时表示禁止任何块RAM的级联。示例如下：

(* cascade_height = 4 *) reg [31:0] ram [(2**15) - 1:0];

4.CLOCK_BUFFER_TYPE 

该属性应用于顶层模块的输入时钟端口上，设置使用哪种时钟缓冲器。默认使用BUFG，可以设置为BUFG、BUFH、BUFIO、BUFMR、BUFR或none。可以在RTL代码或者XDC文件中设置，示例如下： 

CLOCK_BUFFER_TYPE Verilog Example：
(* clock_buffer_type = “none” *) input clk1;
CLOCK_BUFFER_TYPE XDC Example：
set_property CLOCK_BUFFER_TYPE BUFG [get_ports clk]

5.DIRECT_ENABLE 

如果希望一个输入或信号直接作为触发器的使能信号（连接到flop的使能线上），可以使用该属性。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

DIRECT_ENABLE Verilog Example:
(* direct_enable = “yes” *) input ena3;
DIRECT_ENABLE XDC Example:
set_property direct_enable yes [get_nets –of [get_ports ena3]]//对于XDC文件 direct_enable只能作用于net

 6.DIRECT_RESET

希望一个输入或信号直接作为触发器的复位信号（连接到flop的复位线上），可以使用该属性。可以在RTL或XDC中设置，示例与上一属性类似。注意在XDC中，这两个属性只对网络（net）类型有效，必须使用get_nets命令来获取网络对象;

DIRECT_RESET Verilog Example:
(* direct_reset = "yes" *) input rst3;
DIRECT_RESET XDC Example:
set_property direct_reset yes [get_nets –of [get_ports rst3]]

 7.DONT_TOUCH

该属性与KEEP和KEEP_HIERARCHY属性作用相同，区别在于DONT_TOUCH 在布局布线过程中仍会保持作用。当其他属性与DONT_TOUCH属性发生冲突时，DONT_TOUCH属性有更高的优先级。该属性可用于配置任意信号、module、entity或component。该属性仅可用于RTL中，示例如下：

Verilog Wire Example:
(* dont_touch = “yes” *) wire sig1;
assign sig1 = in1 & in2;
assign out1 = sig1 & in2;
Verilog Module Example:
(* DONT_TOUCH = “yes” *)
module example_dt_ver
(clk,
In1,
In2,
out1);
Verilog Instance Example:
(* DONT_TOUCH = “yes” *) example_dt_ver U0
(.clk(clk),
.in1(a),
.in2(b),
out1(c));

  8.DSP_FOLDING

该属性控制是否将与加法器相连的两个MAC结构转换为1个DSP原语，属性值为'yes'或‘no’，yes表示转换，只能用于RTL代码中，并且必须放在module、entity、architecture等包含MAC的逻辑单元中，示例如下：

Verilog Example:
(* dsp_folding = “yes” *) module top …..

9.DSP_FOLDING_FASTCLOCK

当使用DSP_FOLDING 时，该属性用于告诉工具哪一个端口用于连接新的高速时钟，只支持在RTL代码中设置，示例如下：

Verilog Example:
(* dsp_folding_fastclock = “yes” *) input clk_fast;

10.EXTRACT_ENABLE 

设置综合工具对使能信号的管理方式。默认情况下，Vivado会根据设计自动选择是否使用寄存器的使能管脚。当默认表现没有按设计意图进行时，可以使用该属性。比如设计中一个信号没有被视作使能信号，使用该属性可以强制将信号接入到触发器的CE管脚。该属性仅可用于RTL中，示例如下：

EXTRACT_ENABLE Example (Verilog)：
(* extract_enable = “yes” *) reg my_reg;

 另外还有EXTRACT_RESET属性用来设置对复位信号的管理方式，作用与使用方法与EXTRACT_ENABLE相同；

11.FSM_ENCODING

该属性用于设置状态机寄存器，控制状态机的编码方式，可选参数有独热码（one_hot）、顺序编码（sequential）、johnson编码（johnson）、格雷码（gray）、自动（auto）和无（none）。默认为auto，Vivado会自动选择最佳的编码方式。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：
 

FSM_ENCODING Example (Verilog)：
(* fsm_encoding = “one_hot” *) reg [7:0] my_state;

12.FSM_SAFE_STATE 

该属性指示Vivado综合向状态机中插入逻辑来检测是否存在非法状态，如果存在则将其修复为正常状态并放在下一个时钟周期。比如对于独热码，0101状态就是一个非法状态。可设置的值有：

auto：使用Hamming-3编码进行单bit级自动纠正；
reset_state：使用Hamming-2编码进行单bit级检测，强制状态机进入复位状态；
power_on_state：使用Hamming-2编码进行单bit级检测，强制状态机进入上电状态；
default_state：使用Hamming-2编码进行单bit级检测，强制状态机进入default状态。Default状态即为case语句中设定的状态；

该属性用于设置状态机寄存器，可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

FSM_SAFE_STATE Example (Verilog)：
(* fsm_safe_state = “reset_state” *) reg [7:0] my_state;

13.FULL_CASE

该属性仅用于Verilog中，可以自动设定case、casex、casez语句中所有创建的值。该属性只能在RTL中设置，示例如下：

FULL_CASE Example (Verilog)：
(* full_case *)
case select
3’b100 : sig = val1;
3’b010 : sig = val2;
3’b001 : sig = val3;
endcase

 14.GATED_CLOCK

该属性用于控制门控时钟的转换，与综合设置中的-gated_clock_conversion配合使用，设置为off禁止门控时钟转换；设置为on遇到RTL代码中的GATED_CLOCK设置会进行门控时钟转换；设置为auto工具会自动判断。示例如下：

(* gated_clock = “true” *) input clk;  //Verilog示例，申明clk为门控时钟

15.IOB

IOB不是一个综合属性，它用于实现过程中。该属性指示一个寄存器是否接入到I/O缓存器。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

(* IOB = “true” *) reg sig1;  //sig1将接到I/O buffer

16.IO_BUFFER_TYPE

该属性用于任何顶层模块的端口，指示工具如何使用缓冲器。Vivado综合默认会自动推断使用输入缓冲器或输出缓冲器，IO_BUFFER_TYPE设置为none会禁用自动推断。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

(* IO_BUFFER_TYPE = “none” *) input in1;  //Verilog示例

17.KEEP 

使用该属性阻止对信号的优化。综合时带有该属性的信号会保留在网表中，不会被优化掉或者纳入其它逻辑块中。如下面的例子，假设信号A是一个两位与门，该信号又送入另一个与门，默认情况下Vivado会把两个与门合共为一个LUT来实现相应功能，但设置KEEP属性即可保留下信号A；

KEEP不能用于模块的端口上，相应功能应该通过将-flatten_hierarchy设置为none或为模块设置DONT_TOUCH属性来实现。假设为信号B设置了KEEP，但是该信号在后面的RTL设计中并没有使用，综合会保留信号B（尽管它没有任何驱动），但是在后面的流程中还是会引发问题。另外，当KEEP属性和其它属性冲突时，KEEP有更高的优先级。

任何信号、reg、wire都可设置KEEP属性，只能在RTL中设置，示例如下：
 

(* keep = “true” *) wire sig1;  //wire示例
assign sig1 = in1 & in2;
assign out = sig1 & in2;     //sig1不会被优化掉

 18.KEEP_HIERARCHY

Vivado综合工具可以展开层级结构进行优化，为模块设置KEEP_HIERARCHY属性，可以保留该模块在RTL中的输入输出端口，即保留一个完整的边界。只能在RTL中设置，示例如下：

(* keep_hierarchy = “yes” *) module bottom (in1…  //模块示例  
(* keep_hierarchy = “yes” *)bottom u0 (.in1(in1), …  //实例化示例

 19.MARK_DEBUG

该属性可将任何网络对象（net）设置为debug状态，以便在Vivado硬件管理器中调试，同时还会阻止对该信号的优化。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

(* MARK_DEBUG = “TRUE” *) wire debug_wire;  //Verilog示例
set_property MARK_DEBUG TRUE [get_nets debug_wire]  #XDC示例

20.MAX_FANOUT 

 设置寄存器和组合逻辑信号的最大扇出限制（即最大驱动数量）。超出该设置时，会复制一个完全相同的寄存器或组合逻辑。综合设置中的-fanout_limit是对工程整体的设置，对某一信号或寄存器单独设置MAX_FANOUT属性会忽视-fanout_limit的限制；

 另一点区别是-fanout_limit不会对控制信号产生作用，如置位信号set、复位信号reset、时钟使能信号clock enable，但可以用MAX_FANOUT对这些信号的扇出进行限制。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

(* max_fanout = 50 *) reg sig1;  //Verilog示例

21.PARALLEL_CASE 

该属性仅用于Verilog中，可以将case语句强制用并行结构来实现，而不会被优化为if -elsif的结构。该属性只能在RTL中设置，示例如下：

(* parallel_case *) case select
3’b100 : sig = val1;
3’b010 : sig = val2;
3’b001 : sig = val3;
endcase

22.RAM_DECOMP 

该属性用于指示综合工具如何用块RAM来实现一个较大的RAM，比如需要一个2K*36的RAM，通常会用两个2K*18的BRAM组合实现（为了提高设计速度）。如果将该属性设置为power，则会用两个1K*36的BRAM来组合实现，这样在读写过程中，使用地址使只需要一个BRAM处于活跃状态，因此可以降低功耗；

该属性只有一个可配置值即power，虽然可以降低功耗，但是会增加地址解码的时间。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

(* ram_decomp = “power” *) reg [size-1:0] myram [2**addr-1:0];  //Verilog示例
set_property ram_decomp power [get_cells myram]  #XDC示例 

 23.RAM_STYLE

指示综合工具如何实现一个RAM存储器，可设置为block（使用BRAM即块RAM来实现）、distributed（使用LUT搭建分布式RAM）、registers（使用寄存器组来替代RAM）或ultra（使用UltraScale中的URAM）。

默认情况下工具会为了得到最好的设计效果而自动选择。如果该属性在定义RAM的信号处申明，则仅作用于该信号；如果在某一层次结构处申明，将作用于该层次中的所有RAM（但不会影响到该层次的子层次）。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：
 

(* ram_style = “distributed” *) reg [size-1:0] myram [2**addr-1:0];  //Verilog示例

24.RETIMING_BACKWARD
 

该属性指示工具通过接近驱动顺序元素的逻辑向后移动寄存器，该属性与综合全局设置的retiming不同的是即使全局属性的retiming并不是处在active的状态，只要设置了该属性该属性就会发生且优先级在全局属性之前，属性值可以是‘0’或‘1’；可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

RETIMING_BACKWARD Example (Verilog)：
(*retiming_backward = 1 *) reg my_sig;
RETIMING_BACKWARD Example (XDC)：
set_property retiming_backward 1 [get_cells my_sig];

该属性与RETIMING_FORWARD属性类似，这里不再赘述；

25.ROM_STYLE 

指示综合工具如何实现一个ROM存储器，可设置为block（使用BRAM即块RAM来实现）或distributed（使用LUT搭建分布式ROM），默认情况下工具会为了得到最好的设计效果而自动选择。可以在RTL或XDC中设置，示例如下：

 

ROM_STYLE Example (Verilog)：
(* rom_style = “distributed” *) reg [data_size-1:0] myrom [2**addr_size-1:0];

26.RW_ADDR_COLLISION

该属性是为了放防止RAM发生读写冲突，当RAM为简单双端口时，vivado会自动将操作模式设置为write-first;但是当读写操作的是同一个地址时，该属性就会推翻这一默认设置；属性值有'auto'、‘yes’、‘no’，auto表示维持默认设置，yes设置为write-first,no表示设置为no-change,属性仅可以再RTL中设置，示例如下:

Verilog Example:
(*rw_addr_collision = “yes” *) reg [3:0] my_ram [1023:0];

27.SHREG_EXTRACT

指示综合工具是否推断SRL结构（一种移位寄存器的实现结构）。设置为NO时不会推断SRL，设计中的移位寄存器会用寄存器组的形式实现。可以在RTL或XDC中设置，示例如下： 

 

SHREG_EXTRACT Example (Verilog):
(* shreg_extract = “no” *) reg [16:0] my_srl;

28.SRL_STYLE

指示寄存器如何推断设计中的SRL（仅支持静态移位寄存器），可设置的值有：

• register：仅使用寄存器资源实现移位寄存器；
• srl：使用SRL结构实现移位寄存器；
• srl_reg：SRL尾部保留一个寄存器；
• reg_srl：SRL头部保留一个寄存器；
• reg_srl_reg：SRL的首尾各保留一个寄存器；
• block：使用块RAM实现移位寄存器;

注意当SRL_STYLE和SHREG_EXTRACT同时使用时，后者优先级更高。该属性仅可用于RTL设置，示例如下：

SRL_STYLE Examples (Verilog):
(* srl_style = “register” *) reg [16:0] my_srl;

29.TRANSLATE_ON/OFF

这两个属性用于指示综合工具忽略一段代码。该属性通过放在注释行中来实现，且注释必须以synthesis、synopsys、pragma、xilinx中的一个关键词为开头。但注意：如果需要忽视的代码块会影响到设计功能表现，仿真器会试图调用这段代码，因此会出现“mismatch”的情况。该属性只能在RTL中设置，Verilog示例如下：

TRANSLATE_OFF/TRANSLATE_ON Example (Verilog)：
// synthesis translate_off
Code....忽略综合的代码
// synthesis translate_on

30.USE_DSP

该属性用于指示综合工具如何处理算术结构，默认情况下乘法器、乘加、乘减、乘累加类型的结构都会用DSP单元实现。虽然加法器、减法器、累加器也可以用DSP单元实现，但默认会使用逻辑单元实现，可以使用该属性将其设置为在DSP单元中实现。

参数值可选择logic（专门指示异或结构用DSP单元来实现）、yes或no（指示是否将逻辑用DSP单元实现），前者必须在module/architecture处申明，后者可以在信号、architecture、component、entity、module处申明；

老版本中为USE_DSP48，后来FPGA中增加了其它大小的新DSP块，更改为USE_DSP。虽然USE_DSP48仍然有效，但推荐使用USE_DSP命令；示例如下：

USE_DSP Example (Verilog)：
(* use_dsp = “yes” *) module test(clk, in1, in2, out1);

 

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使用自定义属性 

Vivado支持在RTL中使用自定义属性，通常是为了在其它工具的综合后流程中使用。前文提到过，Vivado综合工具遇到不能识别的属性时也会将其保存到网表中，但是如果Vivado综合工具可以优化一个带有自定义属性的对象，优化后该属性也就丢失了，因此该对象必须使用DONT_TOUCH或KEEP_HIERARCHY属性来阻止优化掉带有自定义属性的对象；

自定义属性可以用于某一层次或某一信号。当作用于层次结构（hierarchy）时，必须在综合设置中将-flatten_hierarchy设置为none，或者配置一个KEEP_HIERARCHY属性。因为默认情况下综合会展开所有的层次结构，优化设计之后，再按RTL设计来重组设计结构，这样自定义属性可能会丢失。示例代码如下：

Example with Custom Attribute on Hierarchy (Verilog)：
(* my_att = “my_value”, DONT_TOUCH = “yes” *) module test(....

当作用于信号（signal）时，也要用DONT_TOUCH或KEEP属性来避免优化导致自定义属性丢失。比如一个信号根据RTL代码可能会用寄存器也可能用net来实现。综合工具会检查同时带有自定义属性和DONT_TOUCH属性的对象，如果net是由寄存器驱动，综合会将自定义属性复制到寄存器和net上，因为这种情况下会有使用自定义属性的多种方法。示例代码如下：

Example with Custom Attribute on a Signal (Verilog)：
(* my_att = “my_value”, DONT_TOUCH = “yes” *) reg my_signal;

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在XDC文件中使用综合属性

上文提到的属性有些可以用在XDC文件中。总的来说，那些在综合开始阶段使用的属性和对编译有影响的属性只能用在RTL中；用于综合结束阶段和描述综合如何创建逻辑的属性可以用在XDC文件中；

比如KEEP和DON’T_TOUCH就不允许用在XDC中，因为当综合从XDC文件中读取到属性时，这两个属性可能早已在综合过程中被优化掉了。在XDC文件中设定综合属性可以按照如下语法模板：

set_property <attribute> <value> <target>
For example:
set_property MAX_FANOUT 15 [get_cells in1_int_reg]

另外，在Elaborated设计中也可以设置属性。先打开Elaborated设计，在原理图窗口中或RTL网表窗口中选择需要设置属性的对象：

 在属性窗口的Properties标签中，修改属性值。如果没有目标属性，则右键->Add Properties，选择添加属性。点击保存即可将属性设置添加到XDC文件中；