榨干FPGA片上存儲資源

1、標(biāo)簽： 無標(biāo)簽榨干FPGA片上存儲資源榨干FPGA片上存儲資源         記得Long long time ago，特權(quán)同學(xué)寫過一篇簡短的博文M4K使用率，文章中提到了Cyclone器件的內(nèi)嵌存儲塊M4K的配置問題。文中提到了這個M4K塊除了存儲大小是有限的4Kbit，它的可配置的Port數(shù)量也是有限的，通常為最大36個可用port。當(dāng)時只是簡單的提到有這么回事，提醒使用者注意，也沒有具體的談到如何解決或者確切的說應(yīng)該是避免這樣的狀況出現(xiàn)。因此，本文將結(jié)合特權(quán)同學(xué)近期在使用FPGA時，配置片內(nèi)存儲器遇到的一些

2、片內(nèi)資源無法得到充分利用的問題，更深入的探討如何在既有的基礎(chǔ)上優(yōu)化我們的配置，也就是標(biāo)題所言，我們的目標(biāo)是“榨干FPGA的片上存儲資源”。關(guān)于如何在綜合或布局布線后查看FPGA的片上存儲資源的使用情況，就Quartus II軟件，這里要先教大家?guī)渍?，讓大家在系統(tǒng)設(shè)計完后對自己的存儲資源情況做到明明白白、心中有數(shù)，這對將來的產(chǎn)品維護、升級乃至完全推到重來都是有助益的。很好，想必您已經(jīng)等不及了，那么就ReadyàGo!在一個工程完全編譯后，Quartus II會彈出一個全新的Compilation Report，首先映入設(shè)計者眼簾的是Flow Summary頁面。當(dāng)然設(shè)計者也可以如圖1所

3、示，直接找到菜單欄點擊ProcessingàCompilation Report選項查看。圖1         再看Flow Summary頁面，如圖2所示，其他選項這里不說了，就看Total memory bits后圈出來的部分：103,264/165,888(62%)。這里意思也很明白，特權(quán)使用的器件EP2C8Q208C8的片內(nèi)存儲器總大小是165,888bit，而在該工程中使用了103,264bit，使用率是62%。圖2      

4、0;  OK，那么我們再來看看詳細(xì)的存儲資源都用在哪里了。如圖3所示，點開編譯報告的Analysis&SynthesisàRAM Summary。圖3         同時在頁面右側(cè)就彈出如圖4所示的詳細(xì)的存儲資源分配情況。在這個頁面的報告中，我們只能簡單的看到存儲資源的詳細(xì)使用位置、存儲資源類型（即是使用了專用的片內(nèi)存儲資源還是用邏輯資源構(gòu)造的，顯然用邏輯資源是很浪費甚至說不現(xiàn)實的）、存儲器類型（即RAM/ROM/FIFO等）、存儲器的位寬和深度信息以及存儲量大小，還有就是是否有初始化

5、文件映射。圖4因為是綜合報告的一部分，所以不針對特定的器件給出一些信息，如這里我們可能還會關(guān)心文章開頭就提到的M4K塊使用數(shù)量甚至是我們所例化的存儲器具體都使用了哪些M4K塊。不用擔(dān)心，咱的這點好奇心開發(fā)商還是能夠滿足的。下面我們就接著打開編譯報告里的FitteràResource SectionàRAM Summary選項（方法同圖3）。我們可以看到如圖5所示的，哦，很抱歉由于頁寬有限，所以name一欄沒有完全顯示，Location一欄也只是“小荷才露尖尖角”，但是不要緊，只要你領(lǐng)會精神。先說這個Location一欄，它就是前面提到設(shè)計者可能關(guān)心的具體的M4K塊都是哪些，

6、而M4Ks一欄就是使用的M4K塊的數(shù)量，其他選項類同，讀者可以自己分析?？吹竭@些，估計已經(jīng)是一目了然了，設(shè)計者對自己例化的每一個片內(nèi)存儲器的具體的使用情況都應(yīng)該有所了解。圖5但是，估計細(xì)心的讀者會問，我知道了我所例化的每個存儲器的M4K塊使用數(shù)量，那么我怎么知道是否超出了器件所有的數(shù)量，難道非要等到編譯出error才行嗎？或者自己在這個頁面掐指算算再找來handbook比對一下嗎？非也，其實用戶只要點開FitteràResource SectionàResource Usage Summary，如圖6所示，里面羅列了非常詳細(xì)的FPGA所有片上資源的使用情況，圈出來的部分也是

7、這里我們需要重點關(guān)注的地方。M4Ks里指明器件的36個M4K塊使用了26個，占用率72%；而Total block memory bits和前面綜合報告里是一樣的，嚴(yán)格的說，這個數(shù)據(jù)應(yīng)該算是片內(nèi)存儲資源的絕對使用情況；最后說Total block memory implementation bits選項，它是最終實現(xiàn)到FPGA器件上的片上資源占用情況（注意這里只能是占用而非使用，漢語文字真是博大精深，也許有些時候兩個詞怎么用都差不多，但是這里特權(quán)同學(xué)想?yún)^(qū)分這個概念，所以刻意要提醒大家注意，因為，它還涉及本文的主題，哈哈，不好意思，有點班門弄斧了），它的占用率和M4Ks是一致的，并且必須是一致的

8、。圖6         那么好，“工欲善其事，必先利其器”，我們利完器，就來說正事。特權(quán)同學(xué)提出一個概念，就是FPGA片上資源的利用率，他的公式為：（Total block memory bits/Total block memory implementation bits），對于該設(shè)計就是(62% / 72%) = 86.11%，應(yīng)該說是個不錯的數(shù)據(jù)（呵呵，悄悄的告訴你，這個實例可是被特權(quán)同學(xué)優(yōu)化過了）。         說完這些概念

9、，我們可以真刀真槍的玩一玩了，理論永遠(yuǎn)只是理論，要提高必須靠實踐。其實可以把這個工程打回原形，退回優(yōu)化前的情況。由于篇幅關(guān)系，這里只討論它優(yōu)化過程中的一個最顯著的例子。         在這個工程中，有一連串的8bit數(shù)據(jù)流，第1個數(shù)據(jù)要和第1280個數(shù)據(jù)做一些處理。因此，最簡單的想法就是例化一個1280*8bit的移位寄存器。并且這個移位寄存器在第一個移入的數(shù)據(jù)移出時，要和此時要正要移入的數(shù)據(jù)做一些處理。但是，在配置移位寄存器的時候遇到了一些麻煩，如圖8所示，移位寄存器的深度一般是用配置的taps數(shù)量乘以dist

10、ance值（建議對移位寄存器配置的相關(guān)知識還不熟悉的朋友參考特權(quán)同學(xué)的另一篇博文Cyclone M4K移位寄存器使用）。而這里distance值最大只能配置為256，需要1280個寄存器，并且只用一個taps的想法破滅了，于是思考了下：發(fā)現(xiàn)256*5/128*10/64*20都是可行的辦法。圖7         剛開始配置的時候沒有太多考慮，就選擇了64*20的方案，即配置taps = 24（因為taps值只能為可選的1/2/3/4/5/6/7/8/12/16/24/32/48/64/96/128，這里配置為24個

11、taps，而使用的時候取taps輸出的bit159-152，實際綜合的時候其實會把4個不用的taps優(yōu)化掉），distance = 64。如圖8所示。如果你夠細(xì)心，你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了左下角的Resource Usage是6 M4K。圖8         然后就著這樣的配置，在編譯后可以使用前面提到的方法查看一下存儲器資源的使用情況。因為我們重點要算FPGA片上資源的利用率，所以還是查看FitteràResource SectionàResource Usage Summary這個報告吧。如圖9所示，這

12、個報告中的Total block memory bits和之前沒有變，都是62%，而M4Ks占用多了2個，相應(yīng)的M4Ks占用率和Total block memory implementation bits占用率增加到了78%。計算一下，(62% / 78%) = 79.5%，下降了近7個百分點。也許這個參數(shù)說明不了問題，但是在資源緊張的時候，這個問題就是最撓人的問題。圖9         再提特權(quán)同學(xué)發(fā)現(xiàn)問題后，如何處置優(yōu)化提高了這里的利用率（實際上，如果真用EP2C8Q完成這個工程，也不是非得做這個優(yōu)化的工作，只

13、不過最終的設(shè)計是要實現(xiàn)在向下兼容的EP2C5Q上，所以，就誕生了這篇文章的故事）？很簡單，前面其實都已經(jīng)給了大家暗示，移位寄存器的存儲資源利用率不高不是因為本身存儲量大（只有1280*8bit=10Kbit，需要3個M4K足夠），而是因為生成的taps占用的port過多，前面配置24個taps就占用了6個M4K塊，那么如果配置成12個taps，distance值為128會怎樣呢？6個taps，distance值為256會怎樣呢？答案馬上揭曉，如圖10所示。其實兩者都是占用了3個M4K。這里做的變化就是最終優(yōu)化成功的玄機。圖10     

14、0;   如圖11所示，其實這個工程最終實現(xiàn)到EP2C5Q上是沒有問題的，但是如果沒有類似移位寄存器例子中的一些優(yōu)化，存儲器資源還是很緊張的。圖11         說到這里，雖然已經(jīng)洋洋灑灑圖文并茂好長一篇文章了。但是，還是很想再提一些和FPGA片上存儲資源相關(guān)的問題。關(guān)于Cyclone/Cyclone II的M4K到Cyclone III的M9K，可能還有一些M512，將來不知道會不會有什么M32K/M128K/M1M云云的概念出來。但是就特權(quán)同學(xué)對目前器件使用的一點經(jīng)驗上來看，這個MXX的塊存儲量越大，雖然總的存儲量也會越來越大（不能否定它能夠滿足片內(nèi)大存儲量應(yīng)用的需求），但是相應(yīng)的在工程需要的很多小存儲應(yīng)用中對存儲塊的利用率也會越來越低。因為，對于用戶例化的任何一個存儲器，如果使用M4K塊實現(xiàn)一個8bit的512B/256B/128B/64B甚至哪怕只有1B的應(yīng)用，其實他們都需要占用1個M4K塊。打一個更形象更極端的例子，我的設(shè)計中需要兩個1*8bit的FIF