Vivado中设计锁定与增量编译方法简析
关于增量编译
所谓增量实现，更严格地讲是增量布局和增量布线。它是在设计改动较小的情形下参考原始设计的布局、布线结果，将其中未改动的模块、引脚和网线等直接复用，而对发生改变的部分重新布局、布线。
这样做的好处是显而易见的，即节省运行时间，能提高再次布局、布线结果的可预测性，并有助于时序收敛。
增量实现由两个流程构成：原始流程和增量流程，如图所示。其中，原始流程提供网表。这里的网表可以是布局后的dcp文件，也可以是布线后的dcp文件。
增量实现流程有两种模式：高复用模式和低复用模式。在高复用模式下，布局、布线会尽可能地复用已有布局、布线的结果。
在这种情形下，place_design和route_design都只有三种directive可用，分别为default、explore和quick。 以下两种情形适合于高复用模式。
情形1：很小的设计改动。
情形2：与原始设计相比，更新后的设计只是添加了调试模块，如ila等。 由此可见，高复用模式在网表时序收敛且多达95%的逻辑单元被复用时最为有效。
与高复用模式相比，低复用模式则适用于更新后的设计与参考设计相比有较大的改动，或者用户通过read_checkpoint的选项−reuse_objects指定复用逻辑单元的情况。此时，place_design和route_design的所有−directive均可用。
当布局、布线在某些区域面临挑战时，低复用模式更为有效。例如，从网表中获得较好的block ram和dsp的布局，或者时序难以收敛的逻辑单元。这些都可通过tcl命令获得。
一般来说，增量编译都是与设计锁定联合使用的。
设计锁定与增量编译方法
为了实现对模块的布局（place）、布线（route）的锁定，仅适用增量编译是不够的，因为增量编译的本质目的是为了实现编译时间的缩短，还需要引入设计锁定，设计锁定的tcl命令是：lock_design –level routing
下面例说操作方法。
（1）建立工程：建立一个工程，走完综合实现的流程，如图1所示，该工程将作为样例工程（工程名：incre_compile_demo），将该工程备份一份（工程名：initial_project,后面对比要用到这个工程）；
图1 建好的工程
（2）找到dcp文件：增量编译需要有一个参考文件，这个参考文件是“参考设计”实现之后生成的，后缀是“.dcp”，该文件的路径一般在“.. project_1project_1.runsimpl_1”路径下，如图2所示，新建一个文件夹（名字是dcp_file），将该文件复制到其中，如图3所示；
图2 dcp文件
图3新建文件夹，复制dcp文件
（3）锁定设计：前面说道，简单的增量编译是不能保证模块固定在某个位置的，为了实现这一点，需要对设计进行锁定，方法是，打开一个新的vivado界面，然后打开dcp_file文件夹下的dcp文件（注意选择“open checkpoint”），如图4所示；打开后，在tcl console中输入命令：“lock_design –level routing”，点击左上角保存，如图5所示，做完这一步后，设计就锁定好了，dcp文件就可以用了；
图4 vivado打开dcp界面
图5 锁定设计并保存
（4）增量编译：
1）修改代码，将顶层模块（test_compare.v）line263-line266注释取消，保存，如图6所示；
2）在主界面菜单栏处，点：flow > create runs；
3）选both，点next，如图7所示；
4）勾选make active，点next，如图8所示；
5）选do not launch now，点next，如图9所示； 6）完成后如图10所示；
7）在impl_2右键，选择“set incremental compile”，选择步骤（3）中准备好的dcp文件，示意图如图11所示（注意这只是一个示意图，图中选的文件不是步骤（3）准备好的那个文件）
8）开始综合、实现，完成增量编译过程。
图6 改代码
图7 选both
图8 make active
图9 do not launch now
图10 新的run已建好
图11 选择参考dcp文件
3、正确性验证
怎么证明增量编译后，原始设计成功锁定了呢？我们来做一个对照实验。
样本1：原始工程，名称是: initial_project;
样本2：增量编译工程，名称是: incre_compile_demo;
样本3：原始工程复制一份出来，不进行增量编译，直接修改代码（见图6），重新综合实现，名称是：modify_project。
打开三个工程，之后open implemented design，选取几个模块，观察其在fpga上的位置，发现样本1和样本2位置完全一样，而样本3和前两个样本不一样，说明设计锁定是成功的，如图12、13、14所示。
图12 样本1位置观察
图13 样本2位置观察
图14 样本3位置观察
vivado下如何锁定设计的模块的布局布线
xilinx官方论坛上也有相关问题的回答。
vivado下如何锁定设计模块的布局布线 问题： 我现在设计了一个延时模块，应用后需要把该模块的布局和布线全部锁定，然后在别的项目中直接调用。现在布局没有问题。可以通过约束文件来锁定，就是布线不能大范围锁定，否则应用时会失败。
我已经尝试过增量编译（调用dcp文件）的功能，发现在增量编译中布局布线并不是全部不变的，个别走线也是会变的。
请问有办法把布线也固定下来吗？（tool: vivado17.3 device: k7）
回答1：如果你用的是ultrascale/ultrascale+ , 我觉得pr是个不错的选择，你的目标模块可以放在静态部分，只占据很小的一块面积，剩下大块的动态部分.但是7系列有很多primitive不能放在动态，静态的部分包含的逻辑过多，剩下供你修改的逻辑偏少，不太适合目前的应用场景.
回答2：关于锁定某一个net的布线路径，请参考以下步骤：
1.打开跑完布局布线的工程，open implemented design
2.找到你要锁定布线的net，选中，右键菜单点击fixed routing，如下图所示:
3. tcl console里面会打印出一些命令，然后在tcl console里面敲命令：write_xdc/dirt.xdc
4. 打开导出的xdc，在最下面的部分会有所有元件的位置锁定以及fixed_route，示例如下：
5. 另外还需注意的是，负载中有lut的话需要将lut的输入pin也锁住。以下图的lut2为例，在其property窗口中找到cell pins，信号是连到lut2的i0端，映射到bel pin是a3。
因此上述导出的位置锁定约束中还有一个lock_pins的设置：
set_property lock_pins {i0:a3} [get_cells clk_gen_i0/rst_meta_i_1] 6. 将这部分有关锁定的约束拷贝到你工程的约束文件中，重新跑implementation，这条线会按照原先的结果布。
温馨提示： 我们并不建议完全锁死某个模块的所有布线，当合入的工程比较复杂，用到的布线资源较密集时，工具没有灵活性去调整和优化，有很大的概率会布线失败。
划分静态区和动态区
除了上述的逻辑锁定方法之外，xilinx 的fpga还提供了静态区和动态区的划分也可以实现逻辑的锁定。只不过静态区占据了大多数的空间，动态区是可以随意修改的小部分空间。
fpga提供了现场编程和重新编程的灵活性，无需通过改进的设计进行重新制造。部分重配置（pr）进一步提高了这种灵活性，允许通过加载部分配置文件（通常是部分bit文件）来修改操作fpga设计。
在完整的bit文件配置fpga之后，可以下载部分bit文件以修改fpga中的可重配置区域，而不会影响在未重新配置的设备部分上运行的应用程序的完整性。
部分可重构的基本前提
如图所示，通过下载几个部分bit文件a1.bit，a2.bit，a3.bit或a4.bit中的一个来修改在重新配置块a中实现的功能。
fpga设计中的逻辑分为两种不同的类型，可重构逻辑和静态逻辑。fpga块的灰色区域表示静态逻辑，标记为reconfig block“a”的块部分表示可重配置逻辑。静态逻辑仍然有效，并且不受加载部分bit文件的影响。可重配置逻辑由部分bit文件的内容替换。
为什么在单个fpga器件上动态地对多个硬件进行时间复用的能力是有利的。
这些包括：
•减小实现给定功能所需的fpga器件尺寸，从而降低成本和功耗
•为应用可用的算法或协议选择提供灵活性
•实现设计安全性的新技术
•提高fpga容错能力
•加速可配置计算 除了减小尺寸，重量，功耗和成本之外，部分重配置还可以实现没有它的新型fpga设计。
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增量实现流程有两种模式：高复用模式和低复用模式。在高复用模式下，布局、布线会尽可能地复用已有布局、布线的结果。
在这种情形下，place_design和route_design都只有三种directive可用，分别为default、explore和quick。 以下两种情形适合于高复用模式。
情形1：很小的设计改动。
情形2：与原始设计相比，更新后的设计只是添加了调试模块，如ila等。 由此可见，高复用模式在网表时序收敛且多达95%的逻辑单元被复用时最为有效。
与高复用模式相比，低复用模式则适用于更新后的设计与参考设计相比有较大的改动，或者用户通过read_checkpoint的选项−reuse_objects指定复用逻辑单元的情况。此时，place_design和route_design的所有−directive均可用。
当布局、布线在某些区域面临挑战时，低复用模式更为有效。例如，从网表中获得较好的block ram和dsp的布局，或者时序难以收敛的逻辑单元。这些都可通过tcl命令获得。
一般来说，增量编译都是与设计锁定联合使用的。
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下面例说操作方法。
（1）建立工程：建立一个工程，走完综合实现的流程，如图1所示，该工程将作为样例工程（工程名：incre_compile_demo），将该工程备份一份（工程名：initial_project,后面对比要用到这个工程）；
图1 建好的工程
（2）找到dcp文件：增量编译需要有一个参考文件，这个参考文件是“参考设计”实现之后生成的，后缀是“.dcp”，该文件的路径一般在“.. project_1project_1.runsimpl_1”路径下，如图2所示，新建一个文件夹（名字是dcp_file），将该文件复制到其中，如图3所示；
图2 dcp文件
图3新建文件夹，复制dcp文件
（3）锁定设计：前面说道，简单的增量编译是不能保证模块固定在某个位置的，为了实现这一点，需要对设计进行锁定，方法是，打开一个新的vivado界面，然后打开dcp_file文件夹下的dcp文件（注意选择“open checkpoint”），如图4所示；打开后，在tcl console中输入命令：“lock_design –level routing”，点击左上角保存，如图5所示，做完这一步后，设计就锁定好了，dcp文件就可以用了；
图4 vivado打开dcp界面
图5 锁定设计并保存
（4）增量编译：
1）修改代码，将顶层模块（test_compare.v）line263-line266注释取消，保存，如图6所示；
2）在主界面菜单栏处，点：flow > create runs；
3）选both，点next，如图7所示；
4）勾选make active，点next，如图8所示；
5）选do not launch now，点next，如图9所示； 6）完成后如图10所示；
7）在impl_2右键，选择“set incremental compile”，选择步骤（3）中准备好的dcp文件，示意图如图11所示（注意这只是一个示意图，图中选的文件不是步骤（3）准备好的那个文件）
8）开始综合、实现，完成增量编译过程。
图6 改代码
图7 选both
图8 make active
图9 do not launch now
图10 新的run已建好
图11 选择参考dcp文件
3、正确性验证
怎么证明增量编译后，原始设计成功锁定了呢？我们来做一个对照实验。
样本1：原始工程，名称是: initial_project;
样本2：增量编译工程，名称是: incre_compile_demo;
样本3：原始工程复制一份出来，不进行增量编译，直接修改代码（见图6），重新综合实现，名称是：modify_project。
打开三个工程，之后open implemented design，选取几个模块，观察其在fpga上的位置，发现样本1和样本2位置完全一样，而样本3和前两个样本不一样，说明设计锁定是成功的，如图12、13、14所示。
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1.打开跑完布局布线的工程，open implemented design
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3. tcl console里面会打印出一些命令，然后在tcl console里面敲命令：write_xdc/dirt.xdc
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5. 另外还需注意的是，负载中有lut的话需要将lut的输入pin也锁住。以下图的lut2为例，在其property窗口中找到cell pins，信号是连到lut2的i0端，映射到bel pin是a3。
因此上述导出的位置锁定约束中还有一个lock_pins的设置：
set_property lock_pins {i0:a3} [get_cells clk_gen_i0/rst_meta_i_1] 6. 将这部分有关锁定的约束拷贝到你工程的约束文件中，重新跑implementation，这条线会按照原先的结果布。
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fpga设计中的逻辑分为两种不同的类型，可重构逻辑和静态逻辑。fpga块的灰色区域表示静态逻辑，标记为reconfig block“a”的块部分表示可重配置逻辑。静态逻辑仍然有效，并且不受加载部分bit文件的影响。可重配置逻辑由部分bit文件的内容替换。
为什么在单个fpga器件上动态地对多个硬件进行时间复用的能力是有利的。
这些包括：
•减小实现给定功能所需的fpga器件尺寸，从而降低成本和功耗
•为应用可用的算法或协议选择提供灵活性
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•加速可配置计算 除了减小尺寸，重量，功耗和成本之外，部分重配置还可以实现没有它的新型fpga设计。
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