如何分析FPGA的片上资源使用情况

如何分析FPGA的片上资源使用情况

        在维护遗留代码（4）——时序问题初露端倪这篇文章中，我提到“第三方开发的设计中，组合逻辑与时序逻辑的比例为2.6:1”，这是造成该设计时序收敛困难的原因之一。mengyudn朋友很热心，对这个数据的来历产生了疑问。下面我就简单地介绍一下如何分析FPGA芯片上的组合逻辑（LUT）和时序逻辑（REG）的利用率。 riple

一、如何得到LUT与REG的使用比例 riple

        我们先看一个FPGA工程的编译结果报告：

        在这个报告中，我们可以看到如下信息：
        Total logic elements 24071/24624(98%): 该芯片中共有24624个LE资源，其中的98%在这个工程的这次编译中得到了使用。 riple
        Total combinational functions 21612/24624(88%): 该芯片的24624个LE资源中，88%用于实现组合逻辑。 riple
        Dedicated logic registers 8858/24624(36%): 该芯片的24624个LE资源中，36%用于实现寄存器，即时序逻辑。 riple
        就是从上述信息中，我得到了组合逻辑与时序逻辑的使用比例——21612/8858 = 2.4:1。 riple

二、一份更详细的资源利用率报告 riple

        在这个报告中，有一点可能会令人困惑：为什么Total combinational functions与Dedicated logic registers之和（30470）大于Total logic elements（24071），甚至大于该芯片的总资源（24624）。我们再来看一份更详细的资源使用报告——Fitter Resource Usage Summary：

        这份报告包含很多信息，在这里我们只需要关心Total logic elements一项。Total logic elements 24071/24624(98%)由三种使用情况不同的LE资源组成：仅用于实现组合逻辑的LE（Combinational with no register 15213），仅用于实现时序逻辑的LE（Register only 2459），同时用于实现组合逻辑和时序逻辑的LE（Combinational with a register 6399）。 riple

三、从Resource Property Editor看LE的使用情况 riple
        在进一步分析这些数据之前，我们有必要回顾一下FPGA的基本组成元素LE（Logic Element）的结构和功能。以Altera的Cyclone III系列FPGA芯片为例，其LE内部结构如下图所示：

        这个LE同时用于实现组合逻辑和时序逻辑，其中蓝色部分为组合逻辑（一个4输入LUT），其中黄色高亮部分为时序逻辑（一个D触发器）。 riple
        我们再来看一个更有趣的LE：

        这个LE也同时用于实现组合逻辑和时序逻辑，与上一幅图不同的地方在于，这里的组合逻辑（4输入LUT）与时序逻辑（REG）并没有连接关系。组合逻辑从COMBOUT直接输出，时序逻辑从REGOUT输出。这种互不相关的组合逻辑与时序逻辑共用同一个LE的情况很特殊，这是采用了Register Packing资源优化技术之后的实现方式。如果没有采用这一资源优化技术，就要用两个LE来分别实现相应的组合逻辑和时序逻辑。 riple
        明白了上面这两幅图，大家也能由此类推，想象出仅用于实现组合逻辑的LE（Combinational with no register）和仅用于实现时序逻辑的LE（Register only）该是什么样子。 riple

四、“数字终于对（凑）上了！” riple
        我们回到前面关于资源利用率分析的部分。有了上面介绍的知识，大家应该能够把资源利用率报告中三种使用情况不同的LE区分开了。 riple
        我们把“同时用于实现组合逻辑和时序逻辑的LE（6399）”分别加到“仅用于实现组合逻辑的LE（15213）”和“仅用于实现时序逻辑的LE（2459）”上面，就可以得到“全部组合逻辑”（Total combinational functions = 6399 + 15213 = 21612）和“全部寄存器”（Dedicated logic registers = 6399 + 2459 = 8858）两个数值了。这两个数值就是第一幅图中关于资源利用率的汇总报告结果，它们的比例恰好就是2.4:1。 riple
        由于6399这个数字被使用了两次，所以我们最初关于“Total combinational functions与Dedicated logic registers之和（30470 = (6399 + 15213) + (6399 + 2459)）大于Total logic elements（24071 = 6399 + 15213 + 2459）”的困惑也得到了解答。 riple

五、总结 riple
        由于FPGA设计中用到的组合逻辑与时序逻辑的数量不均衡，部分LE会仅用于实现组合逻辑或时序逻辑；进一步，由于布局位置的限制，单独实现组合逻辑或时序逻辑的两个LE可能不能合并到一个LE中实现。所以，在资源利用率报告中会出现三种使用情况不同的LE。 riple
        由于过长的组合逻辑链（级联的LUT）会引入较大的延时，而时序逻辑（REG）能够把较长的组合逻辑链分割成较短的组合逻辑链，有效地缩短关键路径和次关键路径的长度，进而提高该FPGA设计的整体时序性能，所以组合逻辑与时序逻辑的使用比例可以作为评价一个FPGA设计时序性能的辅助参数。 riple
        过于复杂的组合逻辑也会占用多个LE。我们在编写HDL代码的时候，不能单独把减少Register的使用量作为节省资源的手段，而应该兼顾组合逻辑与时序逻辑，根据目标PLD器件的底层结构，编写组合逻辑和时序逻辑比例符合PLD器件资源比例的代码。 riple