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| 編輯推薦： |
选择本书的3大理由：
? 知名作者何宾老师最新力作，凝结了何宾老师多年工程设计、教学经验和创作的心血。
? 系统介绍了Xilinx新一代集成开发环境Vivado 2014.3的设计方法、设计流程和具体实现，工程实用性强。
? 本书理论与应用并重，将Xilinx最新的设计理论贯穿在具体的设计实现中。
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| 內容簡介： |
Xilinx新一代集成开发环境Vivado突出基于知识产权（Intellectual Properity，IP）核的设计方法，更加体现系统级设计的思想，进一步增强了设计者对FPGA底层布局和布线的干预能力，以及允许设计者通过选择不同的设计策略，对不同的实现方法进行探索，从中找到最佳的实现解决方案。这些设计思想和设计方法，大大的提高了FPGA的设计效率。
本书是在《Xilinx FPGA设计权威指南—Vivado集成设计环境》（清华大学出版社，2014）基础上，针对读者提出的意见和建议，对原书进行了大幅度修订。该书从原来的Vivado 2013.3集成开发环境升级到Vivado 2014.3集成开发环境，并增加了IP核设计的内容。此外，还大幅度增加了对高级约束内容的讲解，并对原书章节的顺序进行了调整，以方便读者的学习。
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| 關於作者： |
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何宾 从事数字系统EDA方面的本科生和研究生相关课程的教学和科研工作，并在多个省市进行大学生电子设计竞赛FPGA专题方面的教师培训工作，在EDA教学和科研方面积累了丰富的经验。曾出版相关图书《EDA原理及应用》、《EDA原理及应用实验教程》、《片上可编程系统原理及应用》、《FPGA数字信号处理实现原理及方法》、《Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解》、《数字与片上系统设计教程》、《EDA原理及Verilog实现》、《基于AXI4的可编程SOC系统设计》。
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| 目錄：
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11.1.3 可重配置的特点
1．降低成本和电路板的空间
通过重配置技术解决了两个设计者普遍存在的问题。
（1）在一个已经使用的器件中，适配更多的逻辑。
（2）在一个更小的、更便宜的器件中，适配一个设计。
历史上，设计者们花费数天时间，甚至几个星期，尝试新的实现开关，返工设计代码，并重新设计解决方案，将设计装入最小可能的FPGA器件中。现在通过部分重新配置技术，设计者就可以动态地时分复用部分可用的硬件资源，以减少其设计规模。同时根据设计要求来控制加载逻辑功能的能力，也大大减少了空闲逻辑，从而进一步节省了额外的空间。
这一策略的一个例子是，在软件无线电（Software Defined Radio，SDR）系统中使用部分可重配置。在SDR中，设计者根据要求上传一个新的波形用于和一个新的通道建立通信。为了使单一的硬件平台可以支持任意数量的波形，要求只有唯一的部分比特流能用于这些波形。由于部分可重配置的“在飞行”（on-the-fly）特性，其他已经建立连接的通道不会被上传到其他的通道所破坏。
2．增加已部署系统的灵活性
在过去，改变现场的一个设计，要求设计新的布局和布线，以及交付整个的配置文件。当需要修改设计时，设计者不得不将系统断电。相比较之下，通过部分可重配置技术，设计者只需要布局和布线所修改的功能，然后将这个新的部分映像提交到系统中即可。
并且，当启动并运行系统时，设计者可以动态地插入新的功能，以改善系统的性能。因此，互斥的功能可以插入到相同的空间内，而不需要重新设计系统或者将设计移植到一个更大的器件中。
体现部分可重配置好处的另一个例子是在光纤传输网络（Optical Transport Network，OTN）的应用。类似于SDR，支持不同的协议来创建一个更高效的硬件系统，即在FPGA中只加载用于当前在任何一点特定通道的协议。因此，对于一个已经部署的系统来说，不仅可以通过使用最小的资源来处理很多不同类型的流量，而且可以使用最新的协议更新系统，而不必全部重新设计。
3．降低功耗
对于当前的设计者来说，功耗是最为关心的问题。但是，随着FPGA设计规模和复杂度的增加，功耗也相应增加。而带有设计技巧的综合和实现工具，能帮助设计者降低功耗。通过使用部分重配置技术，进一步降低静态和动态功耗。
一种降低静态功率的方法是使用较小规模的器件。通过使用部分可重配置技术，设计者能将FPGA进行时间片分割，并且能独立地运行设计的一部分。由于不是设计的每个部分都需要100%的时间，因此设计能要求更小的器件或者更少数量的器件。
部分可重配置也潜在地降低了操作功耗和静态功耗。例如，很多设计必须能高速运行，而最高的性能可能只需要一个很少的时间段，为了降低功耗，设计者使用部分重配置来暂时去除一个高性能的设计，该设计是同一设计的低功耗版本，而不使用排他性设计用于最大性能，当系统要求时，设计者可以切换回高性能的设计。
这个原理也应用到了IO标准，特别是当一个高功率接口并不要求100%时间的场合。低电压差分传输（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）是一个高功耗的接口（不考虑活动性，这是由于高DC电流要求为接口提供能量）。当不要求最高性能时，设计者能使用部分可重配置将IO从LVDS变成低功耗接口，如LVCMOS；而当要求高速传输时，再切换到LVDS。
4．其他优点
在一个FPGA内动态地时分复用硬件的能力，提供了其他方面的优势。
（1）在选择用于一个应用的算法或者协议时，提供了实时的灵活性。
（2）在一个设计安全性时，可以使用新的技术。
（3）改善FPGA的故障容错能力。
（4）促进可配置计算。
（5）降低存储比特流的要求。
11.1.4 可重配置术语解释
为了后续章节的描述方便，下面对可重配置技术中所涉及的一些术语进行说明。
1．Top-down synthesis（自顶向下的综合，不用于部分可重配置）
（1）一个综合工程，该工程综合平面设计，用于优化。
（2）经常称为平面综合。
（3）不支持层次化实现。
2．Bottom-up synthesis（自底向上综合）
（1）独立综合工程，产生多个网表。
（2）自底向上综合要求为每个分区分配一个独立的网表。
（3）没有跨越边界的优化。这样，可以对设计的每个分区进行独立地综合。
（4）对带有用于分区的黑盒顶层逻辑进行综合。
3．Configuration（配置）
一个配置是一个完整的设计，包括静态逻辑以及用于每个可配置分区的一个可配置的模块。
在一个部分重配置FPGA工程中，可以有多个配置。每个配置生成一个充分的比特流文件，以及用于每个可配置模块的一个部分比特流文件。
4．Configuration Frame（配置帧）
配置帧是FPGA配置存储空间中最小的可寻址段。从这些分散的最底层元素构建配置帧。在7系列器件中，基本的可重配置的帧的大小为一个元件（CLB、BRAM、DSP）宽度和一个时钟区域高度。
5．Internal Configuration Access Port（内部配置访问端口）
内部配置访问端口是SelectMAP接口的一个内部版本。
6．Partial Reconfiguration（部分重配置）
部分重配置指当前正在修改一个正在运行的FPGA设计，这个修改是通过下载一个部分比特流实现的。
7．Partition（分区）
一个分区是设计的一个逻辑部分，由设计者在一个层次中进行定义。这个定义用于设计重用。一个分区是一个新的实现或者先前保留的一个实现。一个被保护的分区其功能和实现都是一致的。
8．Partition Pins（分区引脚）
一个分区引脚是在静态和可重配置逻辑之间的逻辑和物理的连接。
9．Static Logic（静态逻辑）
所有设计内的逻辑是不可重配置的，它不是可重配置分区的一部分。当对可重配置分区进行重新配置时，静态逻辑总是活动的。
10．Static Design（静态设计）
静态设计是设计的一部分，它在部分重配置的过程中不会变化。静态设计包括顶层和没有定义为可重配置的所有模块。静态设计由静态逻辑和静态布线所建立。
11．Reconfigurable Module（可重配置模块，RM）
在可重配置分区内，一个RM是网表或者HDL描述的实现。每个可配置分区内可以有多个可重配置的模块。
12．Reconfigurable Partition（可重配置分区，RP）
RP是在一个例化中的属性设置，其定义了该实例是可重配置的。PR是设计层次中的一个层次，在这个层次上可以使用不同的RM进行实现。典型地，一些Tcl命令，如opt_design、place_design和route_design，用于检测实例上的HD.RECONFIGURABLE属性，并且正确地处理它。
11.1.5 可重配置的要求
（1）可重配置要求使用Vivado 2014.3或更新的版本。
（2）Vivado 2014.3可重配置支持下面的器件。
① 7系列：包括Virtex-7、Kintex-7、Artix-7以及Zynq-7000 SoC器件。
② UltraScale系列：KU040和VU095。
（3）只通过Tcl或命令行支持PR。此外，不支持工程。
（4）要求为每个元素类型进行布局规划，用于定义可重配置的域。
① 于最大的效率来说，7系列器件使用RESET_AFTER_RECONFIG特性，以及垂直对齐到帧时钟区域边界。
② 也应用水平对齐规则。
（5）设计者负责自底向上的综合，以及管理RM网表文件。
① 可以使用任何综合工具。在创建可重配置模块网表时，禁止IO插入。
② 对于可重配置模块的综合，Vivado综合使用脱离上下文的模块分析流程。
（6）支持标准的时序约束和额外的时序规划能力。
（7）建立一个唯一的DRC集，用于引导设计者在一个成功的布线路径上完成设计。
（8）一个PR设计必须考虑PR的初始化和部分比特流文件的传递，或者在FPGA内，或者作为系统设计的一部分。
（9）一个PR必须包含用于分区的由可变RM所使用的所有引脚的超集。因此，这将导致对出现一些模块没有用的输入或者输出，但是这增加了PR解决方案的灵活性。在模块内没用的引脚，将引起不确定的状态。如果这对设计是一个问题，则可以将输出驱动为常量。
（10）在生成比特流时，支持黑盒。
11.1.6 可重配置的标准
（1）对于7系列的器件来说，遵循下面的规则。
① 可重配置的资源包括CLB、BRAM和DSP元件类型，以及布线资源。
② 不可以重配置时钟，以及时钟正在修改的逻辑（包括BUFG、BUFR、MMCM、PLL和类似的元件），因此它们必须驻留在静态区域内。
③ 下面的元件不可以重配置，必须驻留在静态区域内。
? IO和IO相关的元件（ISERDES、OSERDES、IDELAYCTRL等）
? 串行收发器（MGT）和相关元件
? 单个的结构特性元件（如BSCAN、STARTUP、XADC等）
（2）对于UltraScale器件来说，可重配置的元件范围扩大：
① 可重配置的资源包括CLB、BRAM和DSP元件类型，以及布线资源。
② 可以重配置时钟，以及时钟正在修改的逻辑（包括BUFG、BUFR、MMCM、PLL和类似的元件）。
③ IO和IO相关的元件（ISERDES、OSERDES、IDELAYCTRL等）。
④ 串行收发器（MGT）和相关元件。
⑤ PCIe、CMAC、Interlaken和SYSMON块。
这些新元件的比特流粒度要求遵守一些规则。例如，IO的部分可重配置要求整个组，外加该帧内所有的时钟资源一起都是可重配置的。
只有配置元件（如BSCAN、STARTUP、ICAP、FRAME_ECC等）必须保留在设计的静态区域内。
（3）限制到RP的全局时钟资源，这取决于这些RP所占用的器件和所占用的时钟区域。
（4）当使用元件实现IP时，IP的使用也会受到限制：
? Vivado调试集线器（BSCAN和BUFG）
? 带有嵌入式全局缓冲区或者IO的IP模块
? MIG控制器（MMCM）
（5）必须对可重配置模块进行初始化，以保证在重配置后的开始条件。通过选择RESET_AFTER_RECONFIG特性，用一个本地复位或者一个专用的GSR事件，设计者可以手工实现该要求。
（6）推荐去耦合逻辑。这样，在部分重配置期间，将设计中的静态部分和可重配置区域的连接断开。
可以把到可重配置模块的时钟和其他输入去耦合，这样用于阻止在重配置期间内对存储器“虚假”写操作。如果没有使用RESET_AFTER_RECONFIG特性，则需要考虑这一点。
（7）必须对一个可重配置区域进行布局规划。这样，模块必须是一个由Pblock保留的模块，并且满足时序的要求。如果完成该模块，推荐通过使用非PR流程运行这个设计，以得到一个对布局、布线和时序结果的初始评估。如果设计是通过非PR流程发布的，则在移动到PR流程前，必须解决这些问题。
（8）在一个RP的引脚中，有一个分区引脚。这是一个布线点，用于将静态逻辑连接到RP上。如果一个设计有过多的分区引脚用于可用的布线资源，可能会发生布线阻塞。
（9）Virtex-7 SSI器件（7V2000T、7VX1140T、7VH870T、7VH580T）有两个基本的要求：
① 可重配置的区域必须充分地包含在一个单个的SLR中。这确保全局复位事件和RM内的所有元素同步，所有的超长连线（Super Long Line，SLL）包含在设计的静态部分。SLL是不可重配置的。
② 如果使用ICAP发送部分比特流，必须位于主SLR，它是这些器件的SLR1。在ICAP上应用位置约束，将其只能约束到ICAP_X0Y2或者ICAP_X0Y3。比特流的格式是贯穿四个SLR的标准菊花链。
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11.1.3 可重配置的特点
1．降低成本和电路板的空间
通过重配置技术解决了两个设计者普遍存在的问题。
（1）在一个已经使用的器件中，适配更多的逻辑。
（2）在一个更小的、更便宜的器件中，适配一个设计。
历史上，设计者们花费数天时间，甚至几个星期，尝试新的实现开关，返工设计代码，并重新设计解决方案，将设计装入最小可能的FPGA器件中。现在通过部分重新配置技术，设计者就可以动态地时分复用部分可用的硬件资源，以减少其设计规模。同时根据设计要求来控制加载逻辑功能的能力，也大大减少了空闲逻辑，从而进一步节省了额外的空间。
这一策略的一个例子是，在软件无线电（Software Defined Radio，SDR）系统中使用部分可重配置。在SDR中，设计者根据要求上传一个新的波形用于和一个新的通道建立通信。为了使单一的硬件平台可以支持任意数量的波形，要求只有唯一的部分比特流能用于这些波形。由于部分可重配置的“在飞行”（on-the-fly）特性，其他已经建立连接的通道不会被上传到其他的通道所破坏。
2．增加已部署系统的灵活性
在过去，改变现场的一个设计，要求设计新的布局和布线，以及交付整个的配置文件。当需要修改设计时，设计者不得不将系统断电。相比较之下，通过部分可重配置技术，设计者只需要布局和布线所修改的功能，然后将这个新的部分映像提交到系统中即可。
并且，当启动并运行系统时，设计者可以动态地插入新的功能，以改善系统的性能。因此，互斥的功能可以插入到相同的空间内，而不需要重新设计系统或者将设计移植到一个更大的器件中。
体现部分可重配置好处的另一个例子是在光纤传输网络（Optical Transport Network，OTN）的应用。类似于SDR，支持不同的协议来创建一个更高效的硬件系统，即在FPGA中只加载用于当前在任何一点特定通道的协议。因此，对于一个已经部署的系统来说，不仅可以通过使用最小的资源来处理很多不同类型的流量，而且可以使用最新的协议更新系统，而不必全部重新设计。
3．降低功耗
对于当前的设计者来说，功耗是最为关心的问题。但是，随着FPGA设计规模和复杂度的增加，功耗也相应增加。而带有设计技巧的综合和实现工具，能帮助设计者降低功耗。通过使用部分重配置技术，进一步降低静态和动态功耗。
一种降低静态功率的方法是使用较小规模的器件。通过使用部分可重配置技术，设计者能将FPGA进行时间片分割，并且能独立地运行设计的一部分。由于不是设计的每个部分都需要100%的时间，因此设计能要求更小的器件或者更少数量的器件。
部分可重配置也潜在地降低了操作功耗和静态功耗。例如，很多设计必须能高速运行，而最高的性能可能只需要一个很少的时间段，为了降低功耗，设计者使用部分重配置来暂时去除一个高性能的设计，该设计是同一设计的低功耗版本，而不使用排他性设计用于最大性能，当系统要求时，设计者可以切换回高性能的设计。
这个原理也应用到了IO标准，特别是当一个高功率接口并不要求100%时间的场合。低电压差分传输（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）是一个高功耗的接口（不考虑活动性，这是由于高DC电流要求为接口提供能量）。当不要求最高性能时，设计者能使用部分可重配置将IO从LVDS变成低功耗接口，如LVCMOS；而当要求高速传输时，再切换到LVDS。
4．其他优点
在一个FPGA内动态地时分复用硬件的能力，提供了其他方面的优势。
（1）在选择用于一个应用的算法或者协议时，提供了实时的灵活性。
（2）在一个设计安全性时，可以使用新的技术。
（3）改善FPGA的故障容错能力。
（4）促进可配置计算。
（5）降低存储比特流的要求。
11.1.4 可重配置术语解释
为了后续章节的描述方便，下面对可重配置技术中所涉及的一些术语进行说明。
1．Top-down synthesis（自顶向下的综合，不用于部分可重配置）
（1）一个综合工程，该工程综合平面设计，用于优化。
（2）经常称为平面综合。
（3）不支持层次化实现。
2．Bottom-up synthesis（自底向上综合）
（1）独立综合工程，产生多个网表。
（2）自底向上综合要求为每个分区分配一个独立的网表。
（3）没有跨越边界的优化。这样，可以对设计的每个分区进行独立地综合。
（4）对带有用于分区的黑盒顶层逻辑进行综合。
3．Configuration（配置）
一个配置是一个完整的设计，包括静态逻辑以及用于每个可配置分区的一个可配置的模块。
在一个部分重配置FPGA工程中，可以有多个配置。每个配置生成一个充分的比特流文件，以及用于每个可配置模块的一个部分比特流文件。
4．Configuration Frame（配置帧）
配置帧是FPGA配置存储空间中最小的可寻址段。从这些分散的最底层元素构建配置帧。在7系列器件中，基本的可重配置的帧的大小为一个元件（CLB、BRAM、DSP）宽度和一个时钟区域高度。
5．Internal Configuration Access Port（内部配置访问端口）
内部配置访问端口是SelectMAP接口的一个内部版本。
6．Partial Reconfiguration（部分重配置）
部分重配置指当前正在修改一个正在运行的FPGA设计，这个修改是通过下载一个部分比特流实现的。
7．Partition（分区）
一个分区是设计的一个逻辑部分，由设计者在一个层次中进行定义。这个定义用于设计重用。一个分区是一个新的实现或者先前保留的一个实现。一个被保护的分区其功能和实现都是一致的。
8．Partition Pins（分区引脚）
一个分区引脚是在静态和可重配置逻辑之间的逻辑和物理的连接。
9．Static Logic（静态逻辑）
所有设计内的逻辑是不可重配置的，它不是可重配置分区的一部分。当对可重配置分区进行重新配置时，静态逻辑总是活动的。
10．Static Design（静态设计）
静态设计是设计的一部分，它在部分重配置的过程中不会变化。静态设计包括顶层和没有定义为可重配置的所有模块。静态设计由静态逻辑和静态布线所建立。
11．Reconfigurable Module（可重配置模块，RM）
在可重配置分区内，一个RM是网表或者HDL描述的实现。每个可配置分区内可以有多个可重配置的模块。
12．Reconfigurable Partition（可重配置分区，RP）
RP是在一个例化中的属性设置，其定义了该实例是可重配置的。PR是设计层次中的一个层次，在这个层次上可以使用不同的RM进行实现。典型地，一些Tcl命令，如opt_design、place_design和route_design，用于检测实例上的HD.RECONFIGURABLE属性，并且正确地处理它。
11.1.5 可重配置的要求
（1）可重配置要求使用Vivado 2014.3或更新的版本。
（2）Vivado 2014.3可重配置支持下面的器件。
① 7系列：包括Virtex-7、Kintex-7、Artix-7以及Zynq-7000 SoC器件。
② UltraScale系列：KU040和VU095。
（3）只通过Tcl或命令行支持PR。此外，不支持工程。
（4）要求为每个元素类型进行布局规划，用于定义可重配置的域。
① 于最大的效率来说，7系列器件使用RESET_AFTER_RECONFIG特性，以及垂直对齐到帧时钟区域边界。
② 也应用水平对齐规则。
（5）设计者负责自底向上的综合，以及管理RM网表文件。
① 可以使用任何综合工具。在创建可重配置模块网表时，禁止IO插入。
② 对于可重配置模块的综合，Vivado综合使用脱离上下文的模块分析流程。
（6）支持标准的时序约束和额外的时序规划能力。
（7）建立一个唯一的DRC集，用于引导设计者在一个成功的布线路径上完成设计。
（8）一个PR设计必须考虑PR的初始化和部分比特流文件的传递，或者在FPGA内，或者作为系统设计的一部分。
（9）一个PR必须包含用于分区的由可变RM所使用的所有引脚的超集。因此，这将导致对出现一些模块没有用的输入或者输出，但是这增加了PR解决方案的灵活性。在模块内没用的引脚，将引起不确定的状态。如果这对设计是一个问题，则可以将输出驱动为常量。
（10）在生成比特流时，支持黑盒。
11.1.6 可重配置的标准
（1）对于7系列的器件来说，遵循下面的规则。
① 可重配置的资源包括CLB、BRAM和DSP元件类型，以及布线资源。
② 不可以重配置时钟，以及时钟正在修改的逻辑（包括BUFG、BUFR、MMCM、PLL和类似的元件），因此它们必须驻留在静态区域内。
③ 下面的元件不可以重配置，必须驻留在静态区域内。
? IO和IO相关的元件（ISERDES、OSERDES、IDELAYCTRL等）
? 串行收发器（MGT）和相关元件
? 单个的结构特性元件（如BSCAN、STARTUP、XADC等）
（2）对于UltraScale器件来说，可重配置的元件范围扩大：
① 可重配置的资源包括CLB、BRAM和DSP元件类型，以及布线资源。
② 可以重配置时钟，以及时钟正在修改的逻辑（包括BUFG、BUFR、MMCM、PLL和类似的元件）。
③ IO和IO相关的元件（ISERDES、OSERDES、IDELAYCTRL等）。
④ 串行收发器（MGT）和相关元件。
⑤ PCIe、CMAC、Interlaken和SYSMON块。
这些新元件的比特流粒度要求遵守一些规则。例如，IO的部分可重配置要求整个组，外加该帧内所有的时钟资源一起都是可重配置的。
只有配置元件（如BSCAN、STARTUP、ICAP、FRAME_ECC等）必须保留在设计的静态区域内。
（3）限制到RP的全局时钟资源，这取决于这些RP所占用的器件和所占用的时钟区域。
（4）当使用元件实现IP时，IP的使用也会受到限制：
? Vivado调试集线器（BSCAN和BUFG）
? 带有嵌入式全局缓冲区或者IO的IP模块
? MIG控制器（MMCM）
（5）必须对可重配置模块进行初始化，以保证在重配置后的开始条件。通过选择RESET_AFTER_RECONFIG特性，用一个本地复位或者一个专用的GSR事件，设计者可以手工实现该要求。
（6）推荐去耦合逻辑。这样，在部分重配置期间，将设计中的静态部分和可重配置区域的连接断开。
可以把到可重配置模块的时钟和其他输入去耦合，这样用于阻止在重配置期间内对存储器“虚假”写操作。如果没有使用RESET_AFTER_RECONFIG特性，则需要考虑这一点。
（7）必须对一个可重配置区域进行布局规划。这样，模块必须是一个由Pblock保留的模块，并且满足时序的要求。如果完成该模块，推荐通过使用非PR流程运行这个设计，以得到一个对布局、布线和时序结果的初始评估。如果设计是通过非PR流程发布的，则在移动到PR流程前，必须解决这些问题。
（8）在一个RP的引脚中，有一个分区引脚。这是一个布线点，用于将静态逻辑连接到RP上。如果一个设计有过多的分区引脚用于可用的布线资源，可能会发生布线阻塞。
（9）Virtex-7 SSI器件（7V2000T、7VX1140T、7VH870T、7VH580T）有两个基本的要求：
① 可重配置的区域必须充分地包含在一个单个的SLR中。这确保全局复位事件和RM内的所有元素同步，所有的超长连线（Super Long Line，SLL）包含在设计的静态部分。SLL是不可重配置的。
② 如果使用ICAP发送部分比特流，必须位于主SLR，它是这些器件的SLR1。在ICAP上应用位置约束，将其只能约束到ICAP_X0Y2或者ICAP_X0Y3。比特流的格式是贯穿四个SLR的标准菊花链。
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