片上存儲器分配策略 - 基于FPGA EP2S60的SoPC系統(tǒng)設計

2.3 片上存儲器分配策略

在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類型的內部存儲塊：M-RAM塊、M512 RAM塊和M4K RAM塊。設計中，應用不同的存儲塊設計不同的存儲器，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，為高度集成的應用提供了實現(xiàn)基礎，而成本比上一代還要低。設計采用的EP2S60器件邏輯資源如表1所列。

根據(jù)器件內3種存儲器的各自特點，結合片內的邏輯資源分布，在片內設計了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，存儲深度設計為2 048字。M512存儲塊主要用于內部FIFO的設計，在配置片內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％，完全可以在片內設計實現(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存。在IDE編程設置中，要對片上ROM和片上RAM的使用進行具體的設置，如圖3所示。

對程序存儲器和只讀數(shù)據(jù)存儲器，設置為使用片上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，多是應用已經(jīng)設計好的軟核CPU和外接器件IP核，在設計時已經(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)設計的IP核和軟件的參數(shù)配置以及設計NiosII系統(tǒng)時應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)設置中選擇小的C編譯庫和減少設備驅動，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?實驗結論

在系統(tǒng)設計中，應用文中分析的綜合優(yōu)化設計方法，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，應該還有進一步優(yōu)化空間。可以考慮對關鍵路徑進行手工連線，采用DSE算法和邏輯鎖定技術進行進一步的優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)最高頻率.

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