j基于FPGA EP2S60的SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化方案

為了提高設(shè)計(jì)性能(有時(shí)甚至只是為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求)，對(duì)所設(shè)計(jì)的SOPC系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化是非常必要的。論文結(jié)合具體工程，以Altera公司的FPGA EP2S60為例，探討了SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化方法。

1 綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程和方法

在FPGA處理器沒(méi)有選定前，可以進(jìn)行SOPC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。根據(jù)編譯和優(yōu)化的效果指導(dǎo)處理器芯片的選型，選擇合適的處理器型號(hào)、速度等級(jí)和封裝。當(dāng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，就只能在已選擇好的處理器芯片上進(jìn)行優(yōu)化。一般的優(yōu)化方法有Verilog程序代碼優(yōu)化、編譯和布線優(yōu)化設(shè)置，在添加Nios II系統(tǒng)后也涉及對(duì)Nios II系統(tǒng)的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循模塊化設(shè)計(jì)思想，如果前面的優(yōu)化都不能達(dá)到滿意的效果，則需要使用邏輯鎖定技術(shù)和應(yīng)用DSE算法進(jìn)行優(yōu)化。

2 綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

2.1 Quartus II軟件優(yōu)化設(shè)置

在進(jìn)行綜合前，對(duì)軟件編譯和布線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置是優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要步驟，不同設(shè)置對(duì)綜合布線的結(jié)果有較大影響。幾個(gè)比較重要的設(shè)置包括時(shí)間要求設(shè)置、編譯器設(shè)置，最重要的是布線器的設(shè)置，如圖1所示。



設(shè)計(jì)中設(shè)置對(duì)所有路徑進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)置布線器盡最大努力滿足設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。在進(jìn)一步的布線器參數(shù)設(shè)置中，選擇全局時(shí)鐘有效，這樣雖然可能增加實(shí)際布線后延時(shí)，但是可以減少時(shí)鐘偏斜，為系統(tǒng)整體時(shí)序設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性提供保障，同時(shí)也可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)能力。

另外，中心處理器EP2S60支持多種電平模式，而各個(gè)bank支持的模式不盡相同。在最初的硬件電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，將外接PCI接口的引腳分配在器件的bank7和bank8上，這樣可以充分利用器件設(shè)計(jì)好的優(yōu)化路徑，達(dá)到比較好的設(shè)計(jì)性能。在引腳分配中，需要對(duì)引腳的特性進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)置，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)引腳分配的功能要求選擇相應(yīng)的電平標(biāo)準(zhǔn)，如PCI核接口選擇3.3 V PCI電平標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 程序代碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Verilog語(yǔ)言是一種類(lèi)C語(yǔ)言的硬件描述語(yǔ)言，在設(shè)計(jì)中首先要對(duì)所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路結(jié)構(gòu)和連接都十分清晰，然后再用適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言進(jìn)行描述。在具體實(shí)現(xiàn)上，應(yīng)綜合考慮以下基本設(shè)計(jì)原則：

①面積和速度的平衡互換原則。如設(shè)計(jì)時(shí)序余量大，可以通過(guò)功能模塊復(fù)用來(lái)減少消耗的芯片面積；如設(shè)計(jì)時(shí)序要求高，可采用“串并轉(zhuǎn)換”和“乒乓操作”以面積換速度。

②硬件原則。從硬件角度進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

③系統(tǒng)原則。以系統(tǒng)的眼光進(jìn)行模塊劃分和各模塊任務(wù)的分配。

④同步設(shè)計(jì)原則。同步設(shè)計(jì)易于提高設(shè)計(jì)的頻率和設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，當(dāng)前的優(yōu)化工具也多是針對(duì)同步時(shí)序的優(yōu)化。

硬件程序設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。課題中涉及4個(gè)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。遵循好的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)原則也是硬件程序開(kāi)發(fā)中不可忽視的一方面。

狀態(tài)機(jī)編碼方式的選擇：由于FPGA中提供較多的觸發(fā)器資源，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)中多采用熱鍵編碼方式，綜合器的綜合約束屬性界面下可以方便地改變狀態(tài)編碼方式。

初始化狀態(tài)和默認(rèn)狀態(tài)：為避免上電不能正確進(jìn)入初始狀態(tài)，設(shè)計(jì)中初始狀態(tài)編碼為全零；同時(shí)為保證邏輯不會(huì)陷入死循環(huán)，設(shè)計(jì)語(yǔ)句中應(yīng)注意完備化設(shè)計(jì)。

采用兩段式狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移單獨(dú)寫(xiě)成一個(gè)模塊，將狀態(tài)的操作和判斷寫(xiě)到另一個(gè)模塊中，這樣可以將同步時(shí)序和組合邏輯分別放置于不同的邏輯塊，利于綜合器優(yōu)化代碼和布線器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

2.3 片上存儲(chǔ)器分配策略

在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類(lèi)型的內(nèi)部存儲(chǔ)塊：M-RAM塊、M512 RAM塊和M4K RAM塊。設(shè)計(jì)中，應(yīng)用不同的存儲(chǔ)塊設(shè)計(jì)不同的存儲(chǔ)器，可以達(dá)到較優(yōu)化的系統(tǒng)性能。

M-RAM完全支持雙端口模式，由512 Kb RAM加上校驗(yàn)位組成，主要用于大數(shù)據(jù)包的緩存，如以太網(wǎng)幀、IP包等大到幾KB的數(shù)據(jù)包，以及視頻圖像幀的緩存和NiosII嵌人式軟核的存儲(chǔ)；M512 RAM塊由512位模塊加上校驗(yàn)的RAM組成，主要用于接口速率適配的內(nèi)部FIF0、移位寄存器和時(shí)鐘域隔離等；M4K塊由4 096×1位到128×36位的4 Kb模塊加校驗(yàn)組成，主要用于小型數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)和多通道I／O協(xié)議中，另外M4K RAM也完全支持雙端口模式。

設(shè)計(jì)中采用的中心處理器FPGA芯片EP2S60包含豐富的存儲(chǔ)器邏輯資源，和上一代Stratix系列相比，運(yùn)行速度提高了50％，邏輯容量增加了1倍，具有達(dá)180 Kb的等效邏輯元件和9 Mb的RAM，大大增加了集成度，為高度集成的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，而成本比上一代還要低。設(shè)計(jì)采用的EP2S60器件邏輯資源如表1所列。

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根據(jù)器件內(nèi)3種存儲(chǔ)器的各自特點(diǎn)，結(jié)合片內(nèi)的邏輯資源分布，在片內(nèi)設(shè)計(jì)了5個(gè)同步FIFO，其中4個(gè)長(zhǎng)度32位、存儲(chǔ)深度256字的FIFO作為64位PCI傳輸?shù)木彺?，另一個(gè)長(zhǎng)度32位，存儲(chǔ)深度設(shè)計(jì)為2 048字。M512存儲(chǔ)塊主要用于內(nèi)部FIFO的設(shè)計(jì)，在配置片內(nèi)FIFO時(shí)選擇M512存儲(chǔ)塊類(lèi)型。1個(gè)32位長(zhǎng)、存儲(chǔ)深度256字的FIFO占用的邏輯資源為30個(gè)LUT單元、15個(gè)M512存儲(chǔ)塊、134個(gè)REG單元。4個(gè)這樣的FIFO占用60個(gè)M512存儲(chǔ)塊、120個(gè)LUT單元。536個(gè)REG單元。而1個(gè)32位長(zhǎng)、2 048字存儲(chǔ)深度的FIFO占用的邏輯資源為114個(gè)M512存儲(chǔ)塊、63個(gè)LUT單元、128個(gè)REG單元。這樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的FIFO總共占用174個(gè)M512存儲(chǔ)塊，相比表1中EP2S60器件329個(gè)M512存儲(chǔ)塊，占用率為52.9％，完全可以在片內(nèi)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

類(lèi)似計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟CPU Nios II系統(tǒng)也需要配置片上的ROM和片上RAM，如圖2所示。片上ROM設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器類(lèi)型為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度為32 KB，讀延遲1。片上RAM存儲(chǔ)器類(lèi)型同樣為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度設(shè)計(jì)為16 KB，讀延遲1。



片上ROM主要用于上電后程序從外部存儲(chǔ)器加載完成后的程序存儲(chǔ)，是IDE主程序開(kāi)始執(zhí)行的地方。在Nios II自動(dòng)分配的地址中，一般起始地址為0x00000000，目的地址為設(shè)計(jì)ROM容量的大小。片上RAM主要作為程序運(yùn)行的緩存和程序異常時(shí)的暫存，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存。在IDE編程設(shè)置中，要對(duì)片上ROM和片上RAM的使用進(jìn)行具體的設(shè)置，如圖3所示。



對(duì)程序存儲(chǔ)器和只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，設(shè)置為使用片上ROM。對(duì)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、堆存儲(chǔ)器和堆棧存儲(chǔ)器，設(shè)置使用片上RAM存儲(chǔ)器。這樣，可以作到有效的存儲(chǔ)器配置。

2.4 針對(duì)NiOS II系統(tǒng)的優(yōu)化

SOPC系統(tǒng)在沒(méi)有添加Nios II系統(tǒng)時(shí)，較容易實(shí)現(xiàn)比較高的頻率，在加入Nios II系統(tǒng)后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率有較明顯的下降。因此在帶Nios II的系統(tǒng)中，對(duì)Nios II的優(yōu)化設(shè)計(jì)是制約整個(gè)SOPC系統(tǒng)時(shí)序的一個(gè)瓶頸。

另一方面，在Nios II系統(tǒng)中，多是應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的軟核CPU和外接器件IP核，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化并且已經(jīng)封裝集成，進(jìn)一步優(yōu)化的難度很大，因此優(yōu)化主要放在自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的IP核和軟件的參數(shù)配置以及設(shè)計(jì)NiosII系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循的一些原則上。在Nios II IDE編程環(huán)境中，如圖4所示，選擇最大優(yōu)化，在編譯器參數(shù)設(shè)置中選擇小的C編譯庫(kù)和減少設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這樣經(jīng)優(yōu)化后可以縮減硬件代碼，減少器件資源占用。



參考文獻(xiàn)[7]中探討了Nios II系統(tǒng)的優(yōu)化途徑。文中歸納系統(tǒng)優(yōu)化有如下方法：

①運(yùn)算應(yīng)采用定點(diǎn)運(yùn)算。經(jīng)過(guò)測(cè)試，浮點(diǎn)加法和乘法運(yùn)算消耗的時(shí)間為定點(diǎn)運(yùn)算的5～6倍，如果需要浮點(diǎn)運(yùn)算，也應(yīng)該采用自定義指令的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

②采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。對(duì)計(jì)算量大的多次調(diào)用的程序模塊采用匯編語(yǔ)言，對(duì)主干流程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言，這樣可以照顧到程序的可讀性，效率也較高，同時(shí)縮減程序占用資源量。

③使用用戶自定義指令。將一些復(fù)雜的算法由軟件轉(zhuǎn)而交由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以獲得較高的效率提升。

④使用硬件加速提高軟件性能。通過(guò)添加外部協(xié)處理器來(lái)加速數(shù)據(jù)功能。

⑤多處理器系統(tǒng)。使用兩個(gè)或多個(gè)處理器來(lái)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

通過(guò)上面分析，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化似乎是一個(gè)矛盾的過(guò)程：有時(shí)需要優(yōu)化以縮減代碼量并減少資源占用，有時(shí)又通過(guò)增加邏輯和添加處理模塊來(lái)提升數(shù)據(jù)處理能力。實(shí)際上，評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，除了需要實(shí)現(xiàn)基本的功能外，還要看使用邏輯資源和性能的綜合比較，以更好地利用處理器，達(dá)到最好的性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用文中分析的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)最高頻率有了較大提升，從最初的88.24 MHz，優(yōu)化至目前的111.73 MHz。由于在Quartus II編譯器參數(shù)沒(méi)置中，要求最高時(shí)鐘設(shè)置為132 MHz，因此優(yōu)化后最高時(shí)鐘報(bào)告以紅色顯示，表示沒(méi)有達(dá)到預(yù)先設(shè)置的132 MHz時(shí)鐘要求。相比于優(yōu)化前，系統(tǒng)最高頻率提高了26.62％，可見(jiàn)采取的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)措施比較有效。對(duì)于EP2S60器件，在沒(méi)有添加Nios II系統(tǒng)時(shí)，可以較容易達(dá)到200～300 MHz的最高時(shí)鐘頻率，加入Nios II經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，最高時(shí)鐘頻率目前只實(shí)現(xiàn)111.73 MHz，應(yīng)該還有進(jìn)一步優(yōu)化空間?？梢钥紤]對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行手工連線，采用DSE算法和邏輯鎖定技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)最高頻率.