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為了提高設(shè)計性能(有時甚至只是為了達到設(shè)計要求)，對所設(shè)計的SOPC系統(tǒng)進行綜合優(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)計的綜合優(yōu)化方法。
1 綜合優(yōu)化設(shè)計的一般流程和方法
在FPGA處理器沒有選定前，可以進行SOPC系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)編譯和優(yōu)化的效果指導處理器芯片的選型，選擇合適的處理器型號、速度等級和封裝。當硬件系統(tǒng)設(shè)計好后，就只能在已選擇好的處理器芯片上進行優(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Nios II系統(tǒng)的優(yōu)化。在設(shè)計過程中應(yīng)遵循模塊化設(shè)計思想，如果前面的優(yōu)化都不能達到滿意的效果，則需要使用邏輯鎖定技術(shù)和應(yīng)用DSE算法進行優(yōu)化。
2 綜合優(yōu)化設(shè)計策略
2.1?Quartus II軟件優(yōu)化設(shè)置
在進行綜合前，對軟件編譯和布線進行優(yōu)化設(shè)置是優(yōu)化設(shè)計的一個重要步驟，不同設(shè)置對綜合布線的結(jié)果有較大影響。幾個比較重要的設(shè)置包括時間要求設(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)計中設(shè)置對所有路徑進行優(yōu)化，并設(shè)置布線器盡最大努力滿足設(shè)計的時序要求。在進一步的布線器參數(shù)設(shè)置中，選擇全局時鐘有效，這樣雖然可能增加實際布線后延時，但是可以減少時鐘偏斜，為系統(tǒng)整體時序設(shè)計的穩(wěn)定性提供保障，同時也可以增強網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動能力。
另外，中心處理器EP2S60支持多種電平模式，而各個bank支持的模式不盡相同。在最初的硬件電路設(shè)計中已經(jīng)考慮到這一點，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)計好的優(yōu)化路徑，達到比較好的設(shè)計性能。在引腳分配中，需要對引腳的特性進行更詳細的設(shè)置，具體應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)引腳分配的功能要求選擇相應(yīng)的電平標準，如PCI核接口選擇3.3 V PCI電平標準。
2.2 程序代碼的優(yōu)化設(shè)計
Verilog語言是一種類C語言的硬件描述語言，在設(shè)計中首先要對所需實現(xiàn)的硬件電路結(jié)構(gòu)和連接都十分清晰，然后再用適當?shù)恼Z言進行描述。在具體實現(xiàn)上，應(yīng)綜合考慮以下基本設(shè)計原則：
①面積和速度的平衡互換原則。如設(shè)計時序余量大，可以通過功能模塊復用來減少消耗的芯片面積；如設(shè)計時序要求高，可采用“串并轉(zhuǎn)換”和“乒乓操作”以面積換速度。
②硬件原則。從硬件角度進行程序開發(fā)。
③系統(tǒng)原則。以系統(tǒng)的眼光進行模塊劃分和各模塊任務(wù)的分配。
④同步設(shè)計原則。同步設(shè)計易于提高設(shè)計的頻率和設(shè)計的穩(wěn)定性，當前的優(yōu)化工具也多是針對同步時序的優(yōu)化。
硬件程序設(shè)計的另一個重要方面是狀態(tài)機的設(shè)計。課題中涉及4個狀態(tài)機的設(shè)計。遵循好的狀態(tài)機設(shè)計原則也是硬件程序開發(fā)中不可忽視的一方面。
狀態(tài)機編碼方式的選擇：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)和默認狀態(tài)：為避免上電不能正確進入初始狀態(tài)，設(shè)計中初始狀態(tài)編碼為全零；同時為保證邏輯不會陷入死循環(huán)，設(shè)計語句中應(yīng)注意完備化設(shè)計。
采用兩段式狀態(tài)機設(shè)計方法：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移單獨寫成一個模塊，將狀態(tài)的操作和判斷寫到另一個模塊中，這樣可以將同步時序和組合邏輯分別放置于不同的邏輯塊，利于綜合器優(yōu)化代碼和布線器實現(xiàn)設(shè)計。
2.3 片上存儲器分配策略
在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類型的內(nèi)部存儲塊：M-RAM塊、M512 RAM塊和M4K RAM塊。設(shè)計中，應(yīng)用不同的存儲塊設(shè)計不同的存儲器，可以達到較優(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；M512 RAM塊由512位模塊加上校驗的RAM組成，主要用于接口速率適配的內(nèi)部FIF0、移位寄存器和時鐘域隔離等；M4K塊由4 096×1位到128×36位的4 Kb模塊加校驗組成，主要用于小型數(shù)據(jù)塊存儲和多通道I／O協(xié)議中，另外M4K RAM也完全支持雙端口模式。
設(shè)計中采用的中心處理器FPGA芯片EP2S60包含豐富的存儲器邏輯資源，和上一代Stratix系列相比，運行速度提高了50％，邏輯容量增加了1倍，具有達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)用提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)，而成本比上一代還要低。設(shè)計采用的EP2S60器件邏輯資源如表1所列。
根據(jù)器件內(nèi)3種存儲器的各自特點，結(jié)合片內(nèi)的邏輯資源分布，在片內(nèi)設(shè)計了5個同步FIFO，其中4個長度32位、存儲深度256字的FIFO作為64位PCI傳輸?shù)木彺?，另一個長度32位，存儲深度設(shè)計為2 048字。M512存儲塊主要用于內(nèi)部FIFO的設(shè)計，在配置片內(nèi)FIFO時選擇M512存儲塊類型。1個32位長、存儲深度256字的FIFO占用的邏輯資源為30個LUT單元、15個M512存儲塊、134個REG單元。4個這樣的FIFO占用60個M512存儲塊、120個LUT單元。536個REG單元。而1個32位長、2 048字存儲深度的FIFO占用的邏輯資源為114個M512存儲塊、63個LUT單元、128個REG單元。這樣，系統(tǒng)設(shè)計中的FIFO總共占用174個M512存儲塊，相比表1中EP2S60器件329個M512存儲塊，占用率為52.9％，完全可以在片內(nèi)設(shè)計實現(xiàn)。
類似計算機系統(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)計存儲器類型為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度為32 KB，讀延遲1。片上RAM存儲器類型同樣為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度設(shè)計為16 KB，讀延遲1。
片上ROM主要用于上電后程序從外部存儲器加載完成后的程序存儲，是IDE主程序開始執(zhí)行的地方。在Nios II自動分配的地址中，一般起始地址為0x00000000，目的地址為設(shè)計ROM容量的大小。片上RAM主要作為程序運行的緩存和程序異常時的暫存，相當于計算機中的內(nèi)存。在IDE編程設(shè)置中，要對片上ROM和片上RAM的使用進行具體的設(shè)置，如圖3所示。
對程序存儲器和只讀數(shù)據(jù)存儲器，設(shè)置為使用片上ROM。對讀寫數(shù)據(jù)存儲器、堆存儲器和堆棧存儲器，設(shè)置使用片上RAM存儲器。這樣，可以作到有效的存儲器配置。
2.4 針對NiOS II系統(tǒng)的優(yōu)化
SOPC系統(tǒng)在沒有添加Nios II系統(tǒng)時，較容易實現(xiàn)比較高的頻率，在加入Nios II系統(tǒng)后，系統(tǒng)設(shè)計頻率有較明顯的下降。因此在帶Nios II的系統(tǒng)中，對Nios II的優(yōu)化設(shè)計是制約整個SOPC系統(tǒng)時序的一個瓶頸。
另一方面，在Nios II系統(tǒng)中，多是應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計好的軟核CPU和外接器件IP核，在設(shè)計時已經(jīng)進行過優(yōu)化并且已經(jīng)封裝集成，進一步優(yōu)化的難度很大，因此優(yōu)化主要放在自行開發(fā)設(shè)計的IP核和軟件的參數(shù)配置以及設(shè)計NiosII系統(tǒng)時應(yīng)當遵循的一些原則上。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編譯庫和減少設(shè)備驅(qū)動，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[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運算應(yīng)采用定點運算。經(jīng)過測試，浮點加法和乘法運算消耗的時間為定點運算的5～6倍，如果需要浮點運算，也應(yīng)該采用自定義指令的方式來實現(xiàn)。
②采用C語言和匯編語言混合編程。對計算量大的多次調(diào)用的程序模塊采用匯編語言，對主干流程語言采用C語言，這樣可以照顧到程序的可讀性，效率也較高，同時縮減程序占用資源量。
③使用用戶自定義指令。將一些復雜的算法由軟件轉(zhuǎn)而交由硬件來實現(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。通過添加外部協(xié)處理器來加速數(shù)據(jù)功能。
⑤多處理器系統(tǒng)。使用兩個或多個處理器來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
通過上面分析，進行系統(tǒng)優(yōu)化似乎是一個矛盾的過程：有時需要優(yōu)化以縮減代碼量并減少資源占用，有時又通過增加邏輯和添加處理模塊來提升數(shù)據(jù)處理能力。實際上，評價一個系統(tǒng)設(shè)計的好壞，除了需要實現(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，達到最好的性能。
3?實驗結(jié)論
在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用文中分析的綜合優(yōu)化設(shè)計方法，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)沒置中，要求最高時鐘設(shè)置為132 MHz，因此優(yōu)化后最高時鐘報告以紅色顯示，表示沒有達到預先設(shè)置的132 MHz時鐘要求。相比于優(yōu)化前，系統(tǒng)最高頻率提高了26.62％，可見采取的綜合優(yōu)化設(shè)計措施比較有效。對于EP2S60器件，在沒有添加Nios II系統(tǒng)時，可以較容易達到200～300 MHz的最高時鐘頻率，加入Nios II經(jīng)過優(yōu)化處理，最高時鐘頻率目前只實現(xiàn)111.73 MHz，應(yīng)該還有進一步優(yōu)化空間。可以考慮對關(guān)鍵路徑進行手工連線，采用DSE算法和邏輯鎖定技術(shù)進行進一步的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)最高頻率.
1 綜合優(yōu)化設(shè)計的一般流程和方法
在FPGA處理器沒有選定前，可以進行SOPC系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)編譯和優(yōu)化的效果指導處理器芯片的選型，選擇合適的處理器型號、速度等級和封裝。當硬件系統(tǒng)設(shè)計好后，就只能在已選擇好的處理器芯片上進行優(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Nios II系統(tǒng)的優(yōu)化。在設(shè)計過程中應(yīng)遵循模塊化設(shè)計思想，如果前面的優(yōu)化都不能達到滿意的效果，則需要使用邏輯鎖定技術(shù)和應(yīng)用DSE算法進行優(yōu)化。
2 綜合優(yōu)化設(shè)計策略
2.1?Quartus II軟件優(yōu)化設(shè)置
在進行綜合前，對軟件編譯和布線進行優(yōu)化設(shè)置是優(yōu)化設(shè)計的一個重要步驟，不同設(shè)置對綜合布線的結(jié)果有較大影響。幾個比較重要的設(shè)置包括時間要求設(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)計中設(shè)置對所有路徑進行優(yōu)化，并設(shè)置布線器盡最大努力滿足設(shè)計的時序要求。在進一步的布線器參數(shù)設(shè)置中，選擇全局時鐘有效，這樣雖然可能增加實際布線后延時，但是可以減少時鐘偏斜，為系統(tǒng)整體時序設(shè)計的穩(wěn)定性提供保障，同時也可以增強網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動能力。
另外，中心處理器EP2S60支持多種電平模式，而各個bank支持的模式不盡相同。在最初的硬件電路設(shè)計中已經(jīng)考慮到這一點，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)計好的優(yōu)化路徑，達到比較好的設(shè)計性能。在引腳分配中，需要對引腳的特性進行更詳細的設(shè)置，具體應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)引腳分配的功能要求選擇相應(yīng)的電平標準，如PCI核接口選擇3.3 V PCI電平標準。
2.2 程序代碼的優(yōu)化設(shè)計
Verilog語言是一種類C語言的硬件描述語言，在設(shè)計中首先要對所需實現(xiàn)的硬件電路結(jié)構(gòu)和連接都十分清晰，然后再用適當?shù)恼Z言進行描述。在具體實現(xiàn)上，應(yīng)綜合考慮以下基本設(shè)計原則：
①面積和速度的平衡互換原則。如設(shè)計時序余量大，可以通過功能模塊復用來減少消耗的芯片面積；如設(shè)計時序要求高，可采用“串并轉(zhuǎn)換”和“乒乓操作”以面積換速度。
②硬件原則。從硬件角度進行程序開發(fā)。
③系統(tǒng)原則。以系統(tǒng)的眼光進行模塊劃分和各模塊任務(wù)的分配。
④同步設(shè)計原則。同步設(shè)計易于提高設(shè)計的頻率和設(shè)計的穩(wěn)定性，當前的優(yōu)化工具也多是針對同步時序的優(yōu)化。
硬件程序設(shè)計的另一個重要方面是狀態(tài)機的設(shè)計。課題中涉及4個狀態(tài)機的設(shè)計。遵循好的狀態(tài)機設(shè)計原則也是硬件程序開發(fā)中不可忽視的一方面。
狀態(tài)機編碼方式的選擇：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)和默認狀態(tài)：為避免上電不能正確進入初始狀態(tài)，設(shè)計中初始狀態(tài)編碼為全零；同時為保證邏輯不會陷入死循環(huán)，設(shè)計語句中應(yīng)注意完備化設(shè)計。
采用兩段式狀態(tài)機設(shè)計方法：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移單獨寫成一個模塊，將狀態(tài)的操作和判斷寫到另一個模塊中，這樣可以將同步時序和組合邏輯分別放置于不同的邏輯塊，利于綜合器優(yōu)化代碼和布線器實現(xiàn)設(shè)計。
2.3 片上存儲器分配策略
在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類型的內(nèi)部存儲塊：M-RAM塊、M512 RAM塊和M4K RAM塊。設(shè)計中，應(yīng)用不同的存儲塊設(shè)計不同的存儲器，可以達到較優(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；M512 RAM塊由512位模塊加上校驗的RAM組成，主要用于接口速率適配的內(nèi)部FIF0、移位寄存器和時鐘域隔離等；M4K塊由4 096×1位到128×36位的4 Kb模塊加校驗組成，主要用于小型數(shù)據(jù)塊存儲和多通道I／O協(xié)議中，另外M4K RAM也完全支持雙端口模式。
設(shè)計中采用的中心處理器FPGA芯片EP2S60包含豐富的存儲器邏輯資源，和上一代Stratix系列相比，運行速度提高了50％，邏輯容量增加了1倍，具有達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)用提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)，而成本比上一代還要低。設(shè)計采用的EP2S60器件邏輯資源如表1所列。
根據(jù)器件內(nèi)3種存儲器的各自特點，結(jié)合片內(nèi)的邏輯資源分布，在片內(nèi)設(shè)計了5個同步FIFO，其中4個長度32位、存儲深度256字的FIFO作為64位PCI傳輸?shù)木彺?，另一個長度32位，存儲深度設(shè)計為2 048字。M512存儲塊主要用于內(nèi)部FIFO的設(shè)計，在配置片內(nèi)FIFO時選擇M512存儲塊類型。1個32位長、存儲深度256字的FIFO占用的邏輯資源為30個LUT單元、15個M512存儲塊、134個REG單元。4個這樣的FIFO占用60個M512存儲塊、120個LUT單元。536個REG單元。而1個32位長、2 048字存儲深度的FIFO占用的邏輯資源為114個M512存儲塊、63個LUT單元、128個REG單元。這樣，系統(tǒng)設(shè)計中的FIFO總共占用174個M512存儲塊，相比表1中EP2S60器件329個M512存儲塊，占用率為52.9％，完全可以在片內(nèi)設(shè)計實現(xiàn)。
類似計算機系統(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)計存儲器類型為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度為32 KB，讀延遲1。片上RAM存儲器類型同樣為M4K，數(shù)據(jù)寬度32位，深度設(shè)計為16 KB，讀延遲1。
片上ROM主要用于上電后程序從外部存儲器加載完成后的程序存儲，是IDE主程序開始執(zhí)行的地方。在Nios II自動分配的地址中，一般起始地址為0x00000000，目的地址為設(shè)計ROM容量的大小。片上RAM主要作為程序運行的緩存和程序異常時的暫存，相當于計算機中的內(nèi)存。在IDE編程設(shè)置中，要對片上ROM和片上RAM的使用進行具體的設(shè)置，如圖3所示。
對程序存儲器和只讀數(shù)據(jù)存儲器，設(shè)置為使用片上ROM。對讀寫數(shù)據(jù)存儲器、堆存儲器和堆棧存儲器，設(shè)置使用片上RAM存儲器。這樣，可以作到有效的存儲器配置。
2.4 針對NiOS II系統(tǒng)的優(yōu)化
SOPC系統(tǒng)在沒有添加Nios II系統(tǒng)時，較容易實現(xiàn)比較高的頻率，在加入Nios II系統(tǒng)后，系統(tǒng)設(shè)計頻率有較明顯的下降。因此在帶Nios II的系統(tǒng)中，對Nios II的優(yōu)化設(shè)計是制約整個SOPC系統(tǒng)時序的一個瓶頸。
另一方面，在Nios II系統(tǒng)中，多是應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計好的軟核CPU和外接器件IP核，在設(shè)計時已經(jīng)進行過優(yōu)化并且已經(jīng)封裝集成，進一步優(yōu)化的難度很大，因此優(yōu)化主要放在自行開發(fā)設(shè)計的IP核和軟件的參數(shù)配置以及設(shè)計NiosII系統(tǒng)時應(yīng)當遵循的一些原則上。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編譯庫和減少設(shè)備驅(qū)動，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[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運算應(yīng)采用定點運算。經(jīng)過測試，浮點加法和乘法運算消耗的時間為定點運算的5～6倍，如果需要浮點運算，也應(yīng)該采用自定義指令的方式來實現(xiàn)。
②采用C語言和匯編語言混合編程。對計算量大的多次調(diào)用的程序模塊采用匯編語言，對主干流程語言采用C語言，這樣可以照顧到程序的可讀性，效率也較高，同時縮減程序占用資源量。
③使用用戶自定義指令。將一些復雜的算法由軟件轉(zhuǎn)而交由硬件來實現(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。通過添加外部協(xié)處理器來加速數(shù)據(jù)功能。
⑤多處理器系統(tǒng)。使用兩個或多個處理器來提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
通過上面分析，進行系統(tǒng)優(yōu)化似乎是一個矛盾的過程：有時需要優(yōu)化以縮減代碼量并減少資源占用，有時又通過增加邏輯和添加處理模塊來提升數(shù)據(jù)處理能力。實際上，評價一個系統(tǒng)設(shè)計的好壞，除了需要實現(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，達到最好的性能。
3?實驗結(jié)論
在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用文中分析的綜合優(yōu)化設(shè)計方法，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)沒置中，要求最高時鐘設(shè)置為132 MHz，因此優(yōu)化后最高時鐘報告以紅色顯示，表示沒有達到預先設(shè)置的132 MHz時鐘要求。相比于優(yōu)化前，系統(tǒng)最高頻率提高了26.62％，可見采取的綜合優(yōu)化設(shè)計措施比較有效。對于EP2S60器件，在沒有添加Nios II系統(tǒng)時，可以較容易達到200～300 MHz的最高時鐘頻率，加入Nios II經(jīng)過優(yōu)化處理，最高時鐘頻率目前只實現(xiàn)111.73 MHz，應(yīng)該還有進一步優(yōu)化空間。可以考慮對關(guān)鍵路徑進行手工連線，采用DSE算法和邏輯鎖定技術(shù)進行進一步的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)最高頻率.
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