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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。
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(gè)或多個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化似乎是一個(gè)矛盾的過程：有時(shí)需要優(yōu)化以縮減代碼量并減少資源占用，有時(shí)又通過增加邏輯和添加處理模塊來提升數(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.
在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類型的內(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。
類似計(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(gè)或多個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化似乎是一個(gè)矛盾的過程：有時(shí)需要優(yōu)化以縮減代碼量并減少資源占用，有時(shí)又通過增加邏輯和添加處理模塊來提升數(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.
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