SoPC系统设计的综合优化方案
时间：2010-06-09 16:27:36
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[导读]SoPC系统设计的综合优化方案
为了提高设计性能(有时甚至只是为了达到设计要求)，对所设计的SOPC系统进行综合优化是非常必要的。论文结合具体工程，以Altera公司的FPGA EP2S60为例，探讨了SOPC系统设计的综合优化方法。
1 综合优化设计的一般流程和方法
在FPGA处理器没有选定前，可以进行SOPC系统的开发。根据编译和优化的效果指导处理器芯片的选型，选择合适的处理器型号、速度等级和封装。当硬件系统设计好后，就只能在已选择好的处理器芯片上进行优化。一般的优化方法有Verilog程序代码优化、编译和布线优化设置，在添加Nios II系统后也涉及对Nios II系统的优化。在设计过程中应遵循模块化设计思想，如果前面的优化都不能达到满意的效果，则需要使用逻辑锁定技术和应用DSE算法进行优化。
2 综合优化设计策略
2.1 Quartus II软件优化设置
在进行综合前，对软件编译和布线进行优化设置是优化设计的一个重要步骤，不同设置对综合布线的结果有较大影响。几个比较重要的设置包括时间要求设置、编译器设置，最重要的是布线器的设置，如图1所示。
设计中设置对所有路径进行优化，并设置布线器尽最大努力满足设计的时序要求。在进一步的布线器参数设置中，选择全局时钟有效，这样虽然可能增加实际布线后延时，但是可以减少时钟偏斜，为系统整体时序设计的稳定性提供保障，同时也可以增强网络的驱动能力。
另外，中心处理器EP2S60支持多种电平模式，而各个bank支持的模式不尽相同。在最初的硬件电路设计中已经考虑到这一点，将外接PCI接口的引脚分配在器件的bank7和bank8上，这样可以充分利用器件设计好的优化路径，达到比较好的设计性能。在引脚分配中，需要对引脚的特性进行更详细的设置，具体应根据实际系统引脚分配的功能要求选择相应的电平标准，如PCI核接口选择3.3 V PCI电平标准。
2.2 程序代码的优化设计
Verilog语言是一种类C语言的硬件描述语言，在设计中首先要对所需实现的硬件电路结构和连接都十分清晰，然后再用适当的语言进行描述。在具体实现上，应综合考虑以下基本设计原则：
①面积和速度的平衡互换原则。如设计时序余量大，可以通过功能模块复用来减少消耗的芯片面积；如设计时序要求高，可采用“串并转换”和“乒乓操作”以面积换速度。
②硬件原则。从硬件角度进行程序开发。
③系统原则。以系统的眼光进行模块划分和各模块任务的分配。
④同步设计原则。同步设计易于提高设计的频率和设计的稳定性，当前的优化工具也多是针对同步时序的优化。
硬件程序设计的另一个重要方面是状态机的设计。课题中涉及4个状态机的设计。遵循好的状态机设计原则也是硬件程序开发中不可忽视的一方面。
状态机编码方式的选择：由于FPGA中提供较多的触发器资源，FPGA设计中多采用热键编码方式，综合器的综合约束属性界面下可以方便地改变状态编码方式。
初始化状态和默认状态：为避免上电不能正确进入初始状态，设计中初始状态编码为全零；同时为保证逻辑不会陷入死循环，设计语句中应注意完备化设计。
采用两段式状态机设计方法：将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断写到另一个模块中，这样可以将同步时序和组合逻辑分别放置于不同的逻辑块，利于综合器优化代码和布线器实现设计。
2.3 片上存储器分配策略
在Stratix II系列的FPGA中包含3种不同类型的内部存储块：M-RAM块、M512 RAM块和M4K RAM块。设计中，应用不同的存储块设计不同的存储器，可以达到较优化的系统性能。
M-RAM完全支持双端口模式，由512 Kb RAM加上校验位组成，主要用于大数据包的缓存，如以太网帧、IP包等大到几KB的数据包，以及视频图像帧的缓存和NiosII嵌人式软核的存储；M512 RAM块由512位模块加上校验的RAM组成，主要用于接口速率适配的内部FIF0、移位寄存器和时钟域隔离等；M4K块由4 096×1位到128×36位的4 Kb模块加校验组成，主要用于小型数据块存储和多通道I／O协议中，另外M4K RAM也完全支持双端口模式。
设计中采用的中心处理器FPGA芯片EP2S60包含丰富的存储器逻辑资源，和上一代Stratix系列相比，运行速度提高了50％，逻辑容量增加了1倍，具有达180 Kb的等效逻辑元件和9 Mb的RAM，大大增加了集成度，为高度集成的应用提供了实现基础，而成本比上一代还要低。设计采用的EP2S60器件逻辑资源如表1所列。
[!--empirenews.page--]
根据器件内3种存储器的各自特点，结合片内的逻辑资源分布，在片内设计了5个同步FIFO，其中4个长度32位、存储深度256字的FIFO作为64位PCI传输的缓存，另一个长度32位，存储深度设计为2 048字。M512存储块主要用于内部FIFO的设计，在配置片内FIFO时选择M512存储块类型。1个32位长、存储深度256字的FIFO占用的逻辑资源为30个LUT单元、15个M512存储块、134个REG单元。4个这样的FIFO占用60个M512存储块、120个LUT单元。536个REG单元。而1个32位长、2 048字存储深度的FIFO占用的逻辑资源为114个M512存储块、63个LUT单元、128个REG单元。这样，系统设计中的FIFO总共占用174个M512存储块，相比表1中EP2S60器件329个M512存储块，占用率为52.9％，完全可以在片内设计实现。
类似计算机系统，软CPU Nios II系统也需要配置片上的ROM和片上RAM，如图2所示。片上ROM设计存储器类型为M4K，数据宽度32位，深度为32 KB，读延迟1。片上RAM存储器类型同样为M4K，数据宽度32位，深度设计为16 KB，读延迟1。
片上ROM主要用于上电后程序从外部存储器加载完成后的程序存储，是IDE主程序开始执行的地方。在Nios II自动分配的地址中，一般起始地址为0x00000000，目的地址为设计ROM容量的大小。片上RAM主要作为程序运行的缓存和程序异常时的暂存，相当于计算机中的内存。在IDE编程设置中，要对片上ROM和片上RAM的使用进行具体的设置，如图3所示。
对程序存储器和只读数据存储器，设置为使用片上ROM。对读写数据存储器、堆存储器和堆栈存储器，设置使用片上RAM存储器。这样，可以作到有效的存储器配置。
2.4 针对NiOS II系统的优化
SOPC系统在没有添加Nios II系统时，较容易实现比较高的频率，在加入Nios II系统后，系统设计频率有较明显的下降。因此在带Nios II的系统中，对Nios II的优化设计是制约整个SOPC系统时序的一个瓶颈。
另一方面，在Nios II系统中，多是应用已经设计好的软核CPU和外接器件IP核，在设计时已经进行过优化并且已经封装集成，进一步优化的难度很大，因此优化主要放在自行开发设计的IP核和软件的参数配置以及设计NiosII系统时应当遵循的一些原则上。在Nios II IDE编程环境中，如图4所示，选择最大优化，在编译器参数设置中选择小的C编译库和减少设备驱动，这样经优化后可以缩减硬件代码，减少器件资源占用。
参考文献[7]中探讨了Nios II系统的优化途径。文中归纳系统优化有如下方法：
①运算应采用定点运算。经过测试，浮点加法和乘法运算消耗的时间为定点运算的5～6倍，如果需要浮点运算，也应该采用自定义指令的方式来实现。
②采用C语言和汇编语言混合编程。对计算量大的多次调用的程序模块采用汇编语言，对主干流程语言采用C语言，这样可以照顾到程序的可读性，效率也较高，同时缩减程序占用资源量。
③使用用户自定义指令。将一些复杂的算法由软件转而交由硬件来实现，可以获得较高的效率提升。
④使用硬件加速提高软件性能。通过添加外部协处理器来加速数据功能。
⑤多处理器系统。使用两个或多个处理器来提高系统的数据处理能力。
通过上面分析，进行系统优化似乎是一个矛盾的过程：有时需要优化以缩减代码量并减少资源占用，有时又通过增加逻辑和添加处理模块来提升数据处理能力。实际上，评价一个系统设计的好坏，除了需要实现基本的功能外，还要看使用逻辑资源和性能的综合比较，以更好地利用处理器，达到最好的性能。
3 实验结论
在系统设计中，应用文中分析的综合优化设计方法，系统最高频率有了较大提升，从最初的88.24 MHz，优化至目前的111.73 MHz。由于在Quartus II编译器参数没置中，要求最高时钟设置为132 MHz，因此优化后最高时钟报告以红色显示，表示没有达到预先设置的132 MHz时钟要求。相比于优化前，系统最高频率提高了26.62％，可见采取的综合优化设计措施比较有效。对于EP2S60器件，在没有添加Nios II系统时，可以较容易达到200～300 MHz的最高时钟频率，加入Nios II经过优化处理，最高时钟频率目前只实现111.73 MHz，应该还有进一步优化空间。可以考虑对关键路径进行手工连线，采用DSE算法和逻辑锁定技术进行进一步的优化，从而提高系统最高频率.
1 综合优化设计的一般流程和方法
在FPGA处理器没有选定前，可以进行SOPC系统的开发。根据编译和优化的效果指导处理器芯片的选型，选择合适的处理器型号、速度等级和封装。当硬件系统设计好后，就只能在已选择好的处理器芯片上进行优化。一般的优化方法有Verilog程序代码优化、编译和布线优化设置，在添加Nios II系统后也涉及对Nios II系统的优化。在设计过程中应遵循模块化设计思想，如果前面的优化都不能达到满意的效果，则需要使用逻辑锁定技术和应用DSE算法进行优化。
2 综合优化设计策略
2.1 Quartus II软件优化设置
在进行综合前，对软件编译和布线进行优化设置是优化设计的一个重要步骤，不同设置对综合布线的结果有较大影响。几个比较重要的设置包括时间要求设置、编译器设置，最重要的是布线器的设置，如图1所示。
设计中设置对所有路径进行优化，并设置布线器尽最大努力满足设计的时序要求。在进一步的布线器参数设置中，选择全局时钟有效，这样虽然可能增加实际布线后延时，但是可以减少时钟偏斜，为系统整体时序设计的稳定性提供保障，同时也可以增强网络的驱动能力。
另外，中心处理器EP2S60支持多种电平模式，而各个bank支持的模式不尽相同。在最初的硬件电路设计中已经考虑到这一点，将外接PCI接口的引脚分配在器件的bank7和bank8上，这样可以充分利用器件设计好的优化路径，达到比较好的设计性能。在引脚分配中，需要对引脚的特性进行更详细的设置，具体应根据实际系统引脚分配的功能要求选择相应的电平标准，如PCI核接口选择3.3 V PCI电平标准。
2.2 程序代码的优化设计
Verilog语言是一种类C语言的硬件描述语言，在设计中首先要对所需实现的硬件电路结构和连接都十分清晰，然后再用适当的语言进行描述。在具体实现上，应综合考虑以下基本设计原则：
①面积和速度的平衡互换原则。如设计时序余量大，可以通过功能模块复用来减少消耗的芯片面积；如设计时序要求高，可采用“串并转换”和“乒乓操作”以面积换速度。
②硬件原则。从硬件角度进行程序开发。
③系统原则。以系统的眼光进行模块划分和各模块任务的分配。
④同步设计原则。同步设计易于提高设计的频率和设计的稳定性，当前的优化工具也多是针对同步时序的优化。
硬件程序设计的另一个重要方面是状态机的设计。课题中涉及4个状态机的设计。遵循好的状态机设计原则也是硬件程序开发中不可忽视的一方面。
状态机编码方式的选择：由于FPGA中提供较多的触发器资源，FPGA设计中多采用热键编码方式，综合器的综合约束属性界面下可以方便地改变状态编码方式。
初始化状态和默认状态：为避免上电不能正确进入初始状态，设计中初始状态编码为全零；同时为保证逻辑不会陷入死循环，设计语句中应注意完备化设计。
采用两段式状态机设计方法：将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断写到另一个模块中，这样可以将同步时序和组合逻辑分别放置于不同的逻辑块，利于综合器优化代码和布线器实现设计。
2.3 片上存储器分配策略
在Stratix II系列的FPGA中包含3种不同类型的内部存储块：M-RAM块、M512 RAM块和M4K RAM块。设计中，应用不同的存储块设计不同的存储器，可以达到较优化的系统性能。
M-RAM完全支持双端口模式，由512 Kb RAM加上校验位组成，主要用于大数据包的缓存，如以太网帧、IP包等大到几KB的数据包，以及视频图像帧的缓存和NiosII嵌人式软核的存储；M512 RAM块由512位模块加上校验的RAM组成，主要用于接口速率适配的内部FIF0、移位寄存器和时钟域隔离等；M4K块由4 096×1位到128×36位的4 Kb模块加校验组成，主要用于小型数据块存储和多通道I／O协议中，另外M4K RAM也完全支持双端口模式。
设计中采用的中心处理器FPGA芯片EP2S60包含丰富的存储器逻辑资源，和上一代Stratix系列相比，运行速度提高了50％，逻辑容量增加了1倍，具有达180 Kb的等效逻辑元件和9 Mb的RAM，大大增加了集成度，为高度集成的应用提供了实现基础，而成本比上一代还要低。设计采用的EP2S60器件逻辑资源如表1所列。
[!--empirenews.page--]
根据器件内3种存储器的各自特点，结合片内的逻辑资源分布，在片内设计了5个同步FIFO，其中4个长度32位、存储深度256字的FIFO作为64位PCI传输的缓存，另一个长度32位，存储深度设计为2 048字。M512存储块主要用于内部FIFO的设计，在配置片内FIFO时选择M512存储块类型。1个32位长、存储深度256字的FIFO占用的逻辑资源为30个LUT单元、15个M512存储块、134个REG单元。4个这样的FIFO占用60个M512存储块、120个LUT单元。536个REG单元。而1个32位长、2 048字存储深度的FIFO占用的逻辑资源为114个M512存储块、63个LUT单元、128个REG单元。这样，系统设计中的FIFO总共占用174个M512存储块，相比表1中EP2S60器件329个M512存储块，占用率为52.9％，完全可以在片内设计实现。
类似计算机系统，软CPU Nios II系统也需要配置片上的ROM和片上RAM，如图2所示。片上ROM设计存储器类型为M4K，数据宽度32位，深度为32 KB，读延迟1。片上RAM存储器类型同样为M4K，数据宽度32位，深度设计为16 KB，读延迟1。
片上ROM主要用于上电后程序从外部存储器加载完成后的程序存储，是IDE主程序开始执行的地方。在Nios II自动分配的地址中，一般起始地址为0x00000000，目的地址为设计ROM容量的大小。片上RAM主要作为程序运行的缓存和程序异常时的暂存，相当于计算机中的内存。在IDE编程设置中，要对片上ROM和片上RAM的使用进行具体的设置，如图3所示。
对程序存储器和只读数据存储器，设置为使用片上ROM。对读写数据存储器、堆存储器和堆栈存储器，设置使用片上RAM存储器。这样，可以作到有效的存储器配置。
2.4 针对NiOS II系统的优化
SOPC系统在没有添加Nios II系统时，较容易实现比较高的频率，在加入Nios II系统后，系统设计频率有较明显的下降。因此在带Nios II的系统中，对Nios II的优化设计是制约整个SOPC系统时序的一个瓶颈。
另一方面，在Nios II系统中，多是应用已经设计好的软核CPU和外接器件IP核，在设计时已经进行过优化并且已经封装集成，进一步优化的难度很大，因此优化主要放在自行开发设计的IP核和软件的参数配置以及设计NiosII系统时应当遵循的一些原则上。在Nios II IDE编程环境中，如图4所示，选择最大优化，在编译器参数设置中选择小的C编译库和减少设备驱动，这样经优化后可以缩减硬件代码，减少器件资源占用。
参考文献[7]中探讨了Nios II系统的优化途径。文中归纳系统优化有如下方法：
①运算应采用定点运算。经过测试，浮点加法和乘法运算消耗的时间为定点运算的5～6倍，如果需要浮点运算，也应该采用自定义指令的方式来实现。
②采用C语言和汇编语言混合编程。对计算量大的多次调用的程序模块采用汇编语言，对主干流程语言采用C语言，这样可以照顾到程序的可读性，效率也较高，同时缩减程序占用资源量。
③使用用户自定义指令。将一些复杂的算法由软件转而交由硬件来实现，可以获得较高的效率提升。
④使用硬件加速提高软件性能。通过添加外部协处理器来加速数据功能。
⑤多处理器系统。使用两个或多个处理器来提高系统的数据处理能力。
通过上面分析，进行系统优化似乎是一个矛盾的过程：有时需要优化以缩减代码量并减少资源占用，有时又通过增加逻辑和添加处理模块来提升数据处理能力。实际上，评价一个系统设计的好坏，除了需要实现基本的功能外，还要看使用逻辑资源和性能的综合比较，以更好地利用处理器，达到最好的性能。
3 实验结论
在系统设计中，应用文中分析的综合优化设计方法，系统最高频率有了较大提升，从最初的88.24 MHz，优化至目前的111.73 MHz。由于在Quartus II编译器参数没置中，要求最高时钟设置为132 MHz，因此优化后最高时钟报告以红色显示，表示没有达到预先设置的132 MHz时钟要求。相比于优化前，系统最高频率提高了26.62％，可见采取的综合优化设计措施比较有效。对于EP2S60器件，在没有添加Nios II系统时，可以较容易达到200～300 MHz的最高时钟频率，加入Nios II经过优化处理，最高时钟频率目前只实现111.73 MHz，应该还有进一步优化空间。可以考虑对关键路径进行手工连线，采用DSE算法和逻辑锁定技术进行进一步的优化，从而提高系统最高频率.
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