速度面積互換設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)析

速度和面積一直都是FPGA設(shè)計(jì)中非常重要的兩個(gè)指標(biāo)。所謂速度，是指整個(gè)工程穩(wěn)定運(yùn)行所能夠達(dá)到的最高時(shí)鐘頻率，它不僅和FPGA內(nèi)部各個(gè)寄存器的建立時(shí)間余量、保持時(shí)間余量有關(guān)，也和FPGA與外部芯片接口信號(hào)的時(shí)序余量有關(guān)；

當(dāng)然，由于FPGA的時(shí)鐘頻率通常很容易遇到瓶頸，所以有時(shí)我們更趨向于在特定時(shí)鐘頻率下，用單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量指標(biāo)作為速度的衡量指標(biāo)。所謂面積，就是一個(gè)FPGA工程運(yùn)行所消耗的資源的多少。在FPGA資源相對(duì)單一匱乏的年代，工程師們可以簡(jiǎn)單的將邏輯資源等效為門數(shù)進(jìn)行衡量；

而今天隨著FPGA內(nèi)嵌越來越多的存儲(chǔ)器、乘法器、時(shí)鐘單元、高速走線或高速收發(fā)器等資源，F(xiàn)PGA資源所涵蓋的項(xiàng)目也越來越多。無(wú)論如何，設(shè)計(jì)者對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的關(guān)注將會(huì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)的始終。

速度和面積始終是一對(duì)矛盾的統(tǒng)一體。速度的提高往往需要以面積的擴(kuò)增為代價(jià)，而節(jié)省面積也往往會(huì)造成速度的犧牲。因此，如何在滿足時(shí)序要求（速度）的前提下最大程度的節(jié)省邏輯資源（面積）是擺在每個(gè)設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)難題。

如圖3.12所示，假定當(dāng)我們使用1倍的邏輯塊處理數(shù)據(jù)，其時(shí)鐘頻率100Mhz，可以達(dá)到100Mbps的吞吐量。

圖3.12 1倍資源的數(shù)據(jù)吞吐量示意圖

而當(dāng)我們的需求有所改變，希望數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到300Mbps。你可能覺得，這不挺簡(jiǎn)單，如圖3.13所示，直接讓時(shí)鐘頻率調(diào)整到300MHz不就可以了。但凡有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師都要抗議了，一般的FPGA器件，除非你的邏輯功能非常簡(jiǎn)單，否則要跑到300MHz談何容易。

筆者用得比較多的是Xilinx中低端的Artix-7和Kintex-7系列的FPGA器件，通常也不太敢隨便使用超過200MHz的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率不僅受限于器件本身的工藝，也和設(shè)計(jì)邏輯的復(fù)雜性密切相關(guān)。所以一般而言，通過直接提高時(shí)鐘頻率來提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的方法只在原時(shí)鐘頻率較低的情況下可行，但原本時(shí)鐘頻率就偏高的情況下是不可行的。

圖3.13 3倍時(shí)鐘頻率的數(shù)據(jù)吞吐量示意圖

當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率已經(jīng)接近上限，或由于某些其它因素?zé)o法隨意提升的情況下，更一般的做法，如圖3.13所示，就是使用3倍的邏輯資源，即3倍的邏輯塊，這就是簡(jiǎn)單的以面積換速度（犧牲面積，換取速度）的思想，反之，就是速度換面積（犧牲速度，換取面積）的思想。

圖3.13 3倍資源的數(shù)據(jù)吞吐量示意圖

速度和面積互換原則也可以應(yīng)用在一般邏輯的性能優(yōu)化上。比如在FPGA開發(fā)工具中，通常也會(huì)提供一些預(yù)設(shè)好的綜合優(yōu)化策略，設(shè)計(jì)者可以在速度或面積等方面采取不同的綜合偏好，這樣就把整個(gè)代碼的優(yōu)化工作交由工具來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，綜合工具只能在現(xiàn)有代碼基礎(chǔ)上做一些小范圍的修修改改，達(dá)到優(yōu)化的目的，一些大的性能優(yōu)化還是需要靠設(shè)計(jì)者自己的代碼實(shí)現(xiàn)。

以Xilinx的Vivado開發(fā)工具為例，如圖3.14所示，在Setting -> Synthesis頁(yè)面的Options ->Strategy選項(xiàng)中，默認(rèn)采取的綜合策略是一個(gè)速度和面積比較平衡的Vivado SynthesisDefaults策略。這里我們可以嘗試一下將默認(rèn)策略修改為Flow_PerfOptimized_high，然后看看編譯后的資源和時(shí)序性能發(fā)生了什么樣的變化。

圖3.14 Vivado綜合優(yōu)化選項(xiàng)

以一個(gè)圖像采集和顯示的實(shí)例工程（note10_prj001）進(jìn)行比對(duì)。如圖3.15所示，使用默認(rèn)策略的綜合消耗了5798個(gè)LUT。如圖3.16所示，使用高性能優(yōu)化策略的綜合則消耗了5878個(gè)LUT，多消耗了80個(gè)LUT。

圖3.15 默認(rèn)綜合策略的資源報(bào)告

圖3.16 高性能優(yōu)化策略的資源報(bào)告

再來看時(shí)序性能，我們挑選驅(qū)動(dòng)負(fù)載最大的兩個(gè)時(shí)鐘做比對(duì)。如圖3.17和圖3.18所示，可以看到，時(shí)鐘負(fù)載最大的clk_out2的建立時(shí)間余量（WNS）和保持時(shí)間余量（THS）都略微有所提升；但時(shí)鐘負(fù)載次之的clk_out3的兩個(gè)余量參數(shù)反而都略微下降了。

圖3.17 默認(rèn)總和策略的時(shí)鐘報(bào)告

圖3.18 高性能優(yōu)化策略的時(shí)鐘報(bào)告

由此看來，關(guān)于速度和面積互換的思想，綜合工具雖然提供了一些整體的代碼性能優(yōu)化手段，但是它對(duì)整體性能的提升充其量不過是個(gè)“小打小鬧”的級(jí)別，最主要的優(yōu)化其實(shí)還是要靠寫代碼的設(shè)計(jì)者。

審核編輯：劉清