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記得Long long time ago，特權(quán)同學(xué)寫過一篇簡(jiǎn)短的博文《M4K使用率》，文章中提到了Cyclone器件的內(nèi)嵌存儲(chǔ)塊M4K的配置問題。文中提到了這個(gè)M4K塊除了存儲(chǔ)大小是有限的4Kbit，它的可配置的Port數(shù)量也是有限的，通常為最大36個(gè)可用port。 當(dāng)時(shí)只是簡(jiǎn)單的提到有這么回事，提醒使用者注意，也沒有具體的談到如何解決或者確切的說應(yīng)該是避免這樣的狀況出現(xiàn)。因此，本文將結(jié)合特權(quán)同學(xué)近期在使用FPGA時(shí)，配置片內(nèi)存儲(chǔ)器遇到的一些片內(nèi)資源無法得到充分利用的問題，更深入的探討如何在既有的基礎(chǔ)上優(yōu)化我們的配置，也就是標(biāo)題所言，我們的目標(biāo)是“榨干FPGA的片上存儲(chǔ)資源”。 關(guān)于如何在綜合或布局布線后查看FPGA的片上存儲(chǔ)資源的使用情況，就Quartus II軟件，這里要先教大家?guī)渍校尨蠹以谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)完后對(duì)自己的存儲(chǔ)資源情況做到明明白白、心中有數(shù)，這對(duì)將來的產(chǎn)品維護(hù)、升級(jí)乃至完全推到重來都是有助益的。很好，想必您已經(jīng)等不及了，那么就ReadyàGo! 在一個(gè)工程完全編譯后，Quartus II會(huì)彈出一個(gè)全新的Compilation Report，首先映入設(shè)計(jì)者眼簾的是Flow Summary頁面。當(dāng)然設(shè)計(jì)者也可以如圖1所示，直接找到菜單欄點(diǎn)擊ProcessingàCompilation Report選項(xiàng)查看。 
再看Flow Summary頁面，如圖2所示，其他選項(xiàng)這里不說了，就看Total memory bits后圈出來的部分：103,264/165,888(62%)。這里意思也很明白，特權(quán)使用的器件EP2C8Q208C8的片內(nèi)存儲(chǔ)器總大小是 165,888bit，而在該工程中使用了103,264bit，使用率是62%。
OK，那么我們?cè)賮砜纯丛敿?xì)的存儲(chǔ)資源都用在哪里了。如圖3所示，點(diǎn)開編譯報(bào)告的Analysis&SynthesisàRAM Summary。
同時(shí)在頁面右側(cè)就彈出如圖4所示的詳細(xì)的存儲(chǔ)資源分配情況。在這個(gè)頁面的報(bào)告中，我們只能簡(jiǎn)單的看到存儲(chǔ)資源的詳細(xì)使用位置、存儲(chǔ)資源類型（即是使用了專用的片內(nèi)存儲(chǔ)資源還是用邏輯資源構(gòu)造的，顯然用邏輯資源是很浪費(fèi)甚至說不現(xiàn)實(shí)的）、存儲(chǔ)器類型（即RAM/ROM/FIFO等）、存儲(chǔ)器的位寬和深度信息以及存儲(chǔ)量大小，還有就是是否有初始化文件映射。
因?yàn)槭蔷C合報(bào)告的一部分，所以不針對(duì)特定的器件給出一些信息，如這里我們可能還會(huì)關(guān)心文章開頭就提到的M4K塊使用數(shù)量甚至是我們所例化的存儲(chǔ)器具體都使用了哪些M4K塊。不用擔(dān)心，咱的這點(diǎn)好奇心開發(fā)商還是能夠滿足的。下面我們就接著打開編譯報(bào)告里的FitteràResource SectionàRAM Summary選項(xiàng)（方法同圖3）。我們可以看到如圖5所示的，哦，很抱歉由于頁寬有限，所以name一欄沒有完全顯示，Location一欄也只是“小荷才露尖尖角”，但是不要緊，只要你領(lǐng)會(huì)精神。先說這個(gè)Location一欄，它就是前面提到設(shè)計(jì)者可能關(guān)心的具體的M4K塊都是哪些，而M4Ks一欄就是使用的M4K塊的數(shù)量，其他選項(xiàng)類同，讀者可以自己分析。看到這些，估計(jì)已經(jīng)是一目了然了，設(shè)計(jì)者對(duì)自己例化的每一個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器的具體的使用情況都應(yīng)該有所了解。
但是，估計(jì)細(xì)心的讀者會(huì)問，我知道了我所例化的每個(gè)存儲(chǔ)器的M4K塊使用數(shù)量，那么我怎么知道是否超出了器件所有的數(shù)量，難道非要等到編譯出 error才行嗎？或者自己在這個(gè)頁面掐指算算再找來handbook比對(duì)一下嗎？非也，其實(shí)用戶只要點(diǎn)開FitteràResource SectionàResource Usage Summary，如圖6所示，里面羅列了非常詳細(xì)的FPGA所有片上資源的使用情況，圈出來的部分也是這里我們需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。M4Ks里指明器件的 36個(gè)M4K塊使用了26個(gè)，占用率72%；而Total block memory bits和前面綜合報(bào)告里是一樣的，嚴(yán)格的說，這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該算是片內(nèi)存儲(chǔ)資源的絕對(duì)使用情況；最后說Total block memory implementation bits選項(xiàng)，它是最終實(shí)現(xiàn)到FPGA器件上的片上資源占用情況（注意這里只能是占用而非使用，漢語文字真是博大精深，也許有些時(shí)候兩個(gè)詞怎么用都差不多，但是這里特權(quán)同學(xué)想?yún)^(qū)分這個(gè)概念，所以刻意要提醒大家注意，因?yàn)椋�涉及本文的主題，哈哈，不好意思，有點(diǎn)班門弄斧了），它的占用率和M4Ks是一致的，并且必須是一致的。
那么好，“工欲善其事，必先利其器”，我們利完器，就來說正事。特權(quán)同學(xué)提出一個(gè)概念，就是FPGA片上資源的利用率，他的公式為：（Total block memory bits/Total block memory implementation bits），對(duì)于該設(shè)計(jì)就是(62% / 72%) = 86.11%，應(yīng)該說是個(gè)不錯(cuò)的數(shù)據(jù)（呵呵，悄悄的告訴你，這個(gè)實(shí)例可是被特權(quán)同學(xué)優(yōu)化過了）。 說完這些概念，我們可以真刀真槍的玩一玩了，理論永遠(yuǎn)只是理論，要提高必須靠實(shí)踐。其實(shí)可以把這個(gè)工程打回原形，退回優(yōu)化前的情況。由于篇幅關(guān)系，這里只討論它優(yōu)化過程中的一個(gè)最顯著的例子。 在這個(gè)工程中，有一連串的8bit數(shù)據(jù)流，第1個(gè)數(shù)據(jù)要和第1280個(gè)數(shù)據(jù)做一些處理。因此，最簡(jiǎn)單的想法就是例化一個(gè)1280*8bit的移位寄存器。并且這個(gè)移位寄存器在第一個(gè)移入的數(shù)據(jù)移出時(shí)，要和此時(shí)要正要移入的數(shù)據(jù)做一些處理。但是，在配置移位寄存器的時(shí)候遇到了一些麻煩，如圖8所示，移位寄存器的深度一般是用配置的taps數(shù)量乘以distance值（建議對(duì)移位寄存器配置的相關(guān)知識(shí)還不熟悉的朋友參考特權(quán)同學(xué)的另一篇博文《Cyclone M4K移位寄存器使用》）。而這里distance值最大只能配置為256，需要1280個(gè)寄存器，并且只用一個(gè)taps的想法破滅了，于是思考了下：發(fā)現(xiàn)256*5/128*10/64*20都是可行的辦法。
剛開始配置的時(shí)候沒有太多考慮，就選擇了64*20的方案，即配置taps = 24（因?yàn)閠aps值只能為可選的1/2/3/4/5/6/7/8/12/16/24/32/48/64/96/128，這里配置為24個(gè)taps，而使用的時(shí)候取taps輸出的bit159-152，實(shí)際綜合的時(shí)候其實(shí)會(huì)把4個(gè)不用的taps優(yōu)化掉），distance = 64。 如圖8所示。如果你夠細(xì)心，你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了左下角的Resource Usage是6 M4K。
然后就著這樣的配置，在編譯后可以使用前面提到的方法查看一下存儲(chǔ)器資源的使用情況。因?yàn)槲覀冎攸c(diǎn)要算FPGA片上資源的利用率，所以還是查看 FitteràResource SectionàResource Usage Summary這個(gè)報(bào)告吧。如圖9所示，這個(gè)報(bào)告中的Total block memory bits和之前沒有變，都是62%，而M4Ks占用多了2個(gè)，相應(yīng)的M4Ks占用率和Total block memory implementation bits占用率增加到了78%。計(jì)算一下，(62% / 78%) = 79.5%，下降了近7個(gè)百分點(diǎn)。也許這個(gè)參數(shù)說明不了問題，但是在資源緊張的時(shí)候，這個(gè)問題就是最撓人的問題。
再提特權(quán)同學(xué)發(fā)現(xiàn)問題后，如何處置優(yōu)化提高了這里的利用率（實(shí)際上，如果真用EP2C8Q完成這個(gè)工程，也不是非得做這個(gè)優(yōu)化的工作，只不過最終的設(shè)計(jì)是要實(shí)現(xiàn)在向下兼容的EP2C5Q上，所以，就誕生了這篇文章的故事……）？很簡(jiǎn)單，前面其實(shí)都已經(jīng)給了大家暗示，移位寄存器的存儲(chǔ)資源利用率不高不是因?yàn)楸旧泶鎯?chǔ)量大（只有1280*8bit=10Kbit，需要3個(gè)M4K足夠），而是因?yàn)樯傻膖aps占用的port過多，前面配置24個(gè)taps就占用了6個(gè)M4K塊，那么如果配置成12個(gè)taps，distance值為128會(huì)怎樣呢？6個(gè)taps，distance值為256會(huì)怎樣呢？答案馬上揭曉，如圖10所示。其實(shí)兩者都是占用了3個(gè)M4K。這里做的變化就是最終優(yōu)化成功的玄機(jī)。
如圖11所示，其實(shí)這個(gè)工程最終實(shí)現(xiàn)到EP2C5Q上是沒有問題的，但是如果沒有類似移位寄存器例子中的一些優(yōu)化，存儲(chǔ)器資源還是很緊張的。
說到這里，雖然已經(jīng)洋洋灑灑圖文并茂好長(zhǎng)一篇文章了。但是，還是很想再提一些和FPGA片上存儲(chǔ)資源相關(guān)的問題。關(guān)于Cyclone/Cyclone II的M4K到Cyclone III的M9K，可能還有一些M512，將來不知道會(huì)不會(huì)有什么M32K/M128K/M1M云云的概念出來。但是就特權(quán)同學(xué)對(duì)目前器件使用的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)上來看，這個(gè)MXX的塊存儲(chǔ)量越大，雖然總的存儲(chǔ)量也會(huì)越來越大（不能否定它能夠滿足片內(nèi)大存儲(chǔ)量應(yīng)用的需求），但是相應(yīng)的在工程需要的很多小存儲(chǔ)應(yīng)用中對(duì)存儲(chǔ)塊的利用率也會(huì)越來越低。因?yàn)椋瑢?duì)于用戶例化的任何一個(gè)存儲(chǔ)器，如果使用M4K塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)8bit的512B/256B/128B/64B甚至哪怕只有1B的應(yīng)用，其實(shí)他們都需要占用1個(gè)M4K塊。打一個(gè)更形象更極端的例子，我的設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)1*8bit的FIFO（當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中沒有人這么傻，^o^），那么例化完編譯后，我的M4K資源別占用了2個(gè)，這就是問題。這也是制約著極大多數(shù)的應(yīng)用中，特權(quán)同學(xué)提到的FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)資源利用率無法100%的原因。其實(shí)，這也是最近特權(quán)同學(xué)的另一個(gè)項(xiàng)目中搭建的NIOS2平臺(tái)，如圖12所示，各種簡(jiǎn)單的外設(shè)都分別要占用一點(diǎn)片內(nèi)存儲(chǔ)器（沒有充分的利用M9K的資源），直接導(dǎo)致整個(gè)利用率很低的原因。針對(duì)與這種情況，不知道器件廠商是否有所考慮，也許對(duì)他們而言，也是處在一種魚和熊掌不可兼得的矛盾之中。
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