復用器重構(gòu)降低FPGA成本

摘 要： 本文介紹了一種新的復用器重構(gòu)算法，能夠降低FPGA實際設計20％的成本。該算法通過減少復用器所需查找表（LUT）的數(shù)量來實現(xiàn)。算法以效率更高的4:1復用器替代2:1復用器樹。算法性能的關鍵在于尋找總線上出現(xiàn)的復用器數(shù)量。新的優(yōu)化方法占用一定的邏輯，這些邏輯由總線進行分擔，從而減少了總線上每個比特位所需的邏輯。 （本站編者：該算法已經(jīng)集成在QuartusII4.2軟件中，使用QuartusIi進行綜合HDL語言時會自動調(diào)用該算法進行綜合，本文介紹該算法的詳情，本文適合希望深入了解算法的用戶閱讀）

關鍵詞： FPGA；復用器；重構(gòu)；重新編碼；總線；邏輯優(yōu)化；綜合

1. 引言

--- 復用器是數(shù)據(jù)通道常用的構(gòu)建模塊，被廣泛應用在處理器[1]、處理器總線、網(wǎng)絡交換，甚至是資源共享的DSP設計中。據(jù)估計，復用器一般要占用一個FPGA設計[2] 25%以上的面積。因此，優(yōu)化FPGA設計的關鍵在于怎樣優(yōu)化復用器。

--- 本文介紹了一種新的復用器重構(gòu)算法，該算法減小了復用器在基于4輸入查找表（4-LUT）FPGA體系結(jié)構(gòu)中所占用的面積?；鶞蕼y試結(jié)果表明復用器平均減少了17%，在一些設計中，4-LUT整體減少20%。

--- 2.1節(jié)闡述了復用器是如何由行為級VHDL[4]或Verilog[5]代碼產(chǎn)生的，2.2和2.3節(jié)闡述復用器樹和復用器總線在設計中是怎樣生成的。2.4節(jié)說明這些結(jié)構(gòu)怎樣由4-LUT實現(xiàn)，闡述如何采用兩個4-LUT有效實現(xiàn)一個4:1二進制復用器。

--- 第3節(jié)介紹了一種叫做壓縮的新技術(shù)，該技術(shù)附加一些控制邏輯，將多個2:1復用器重新組合為有效的4:1復用器，從而減少了為總線上每一個比特位實現(xiàn)復用器所需要的4-LUT數(shù)量，所附加的控制邏輯代價由整個總線來分擔。優(yōu)化復用器總線是復用器重構(gòu)算法的核心。

--- 4.1節(jié)闡述復用器重構(gòu)算法如何構(gòu)建設計中的復用器樹總線。4.2節(jié)的重構(gòu)方法用于執(zhí)行4.3節(jié)中定義的均衡算法。均衡增加了由壓縮生成的有效4:1復用器的數(shù)量。

--- 第5節(jié)總結(jié)了在Altera Quartus II集成綜合中運行的整個算法。第6節(jié)列出了來自120個Altera真實用戶設計實例的基準測試結(jié)果，測試表明面積減少超過20%，平均節(jié)省了4.2%。

2. 背景知識

--- 2.1 復用器在設計中是怎樣實現(xiàn)的

--- 行為級HDL設計中的任何條件代碼通常會綜合為復用器。本節(jié)闡述兩個最常用的復用器生成代碼實例。
--- 圖1是VHDL的case聲明及其2:1復用器樹的實現(xiàn)。采用Verilog case聲明的“parallel case”指令[5]可產(chǎn)生相似的結(jié)果。

圖1

--- 注意，并不是所有的case聲明都能將可能的事件描述清楚，需要依靠“default”或者“others”條件來進一步說明。在這些情況下，可以繼續(xù)將case聲明表征為2:1復用器樹，但是這種樹結(jié)構(gòu)可能達不到平衡。

--- 圖2顯示了“if-then-else”聲明是怎樣產(chǎn)生一個2:1復用器鏈的。Verilog的“?:”和非平行cases可同樣產(chǎn)生相似的結(jié)構(gòu)。注意，復用器鏈確保如果第一個if條件為“真”，將選擇“a”數(shù)據(jù)輸入，而復用器其他部分將被忽略。

--- 本文闡述的復用器重構(gòu)算法應用于2:1復用器。綜合工具由行為級代碼開始通常會生成較大的復用器。較大的復用器總是被分解為2:1復用器樹，如何實現(xiàn)這種分解已經(jīng)超出本文討論范圍。

圖2 if-then-else聲明生成的邏輯


圖3 HDL生成的復用器材


圖4 生成復用器總線

--- 2.2 復用器樹

--- 設計中復用器之間的饋入是常見的現(xiàn)象。例如，在一段HDL代碼中，如下面的圖3所示，if-then-else聲明中含有case聲明就會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。
--- 在復用器重構(gòu)算法中，識別出較大的復用器樹對于盡可能減少面積是非常重要的。

--- 2.3 復用器總線

--- VHDL信號或Verilog線寬通常會超過一個比特位。當采用if-then-else和case聲明時，將會生成大量具有不同數(shù)據(jù)輸入的相同復用器樹，圖4是一個實例。一組具有相同結(jié)構(gòu)的復用器稱為復用器樹總線。

--- 本文闡述的復用器重構(gòu)技術(shù)采用了新的對整個復用器總線進行優(yōu)化的方法，它通過由4.1節(jié)中進一步闡述的總線識別和形成技術(shù)來實現(xiàn)。

--- 2.4 復用器代價

--- 在許多情況下，每個2:1復用器都需要一個單獨的4-LUT。這樣，圖1和圖2中的復用器結(jié)構(gòu)都需要三個4-LUT。盡管這些結(jié)構(gòu)控制編碼不同，但是它們都具有4個不同的數(shù)據(jù)輸入，因此可以當作4:1復用器。本節(jié)闡述如何實現(xiàn)只需要兩個4-LUT的4:1復用器。

--- 圖5是控制輸入S0低電平時，一個有效的4:1復用器是如何工作的。4:1復用器由兩個鏈接在一起的4-LUT（陰影框所示）構(gòu)成。每個4-LUT被設置為含有陰影框中的邏輯功能。如白框所示，復用器含有四個輸入——a、b、c和d，以及兩個控制輸入——S0和S1。

圖5

--- S0低電平時，低位控制比特S1在輸入c和d中進行選擇，其結(jié)果通過第二個4-LUT，將a或者b輸入旁路。

圖6

--- 圖6是控制輸入S0高電平時，一個有效的4:1復用器是如何工作的。低位控制比特S1旁路c和d輸入，直接進入第二個4-LUT，對a或者b輸入進行選擇，其結(jié)果成為第二個4-LUT的輸出。

--- 第3節(jié)描述的壓縮算法采用這種有效的4:1復用器，重新實現(xiàn)復用器結(jié)構(gòu)，達到了減小面積的目的。

3. 壓縮

--- 壓縮是將低效的4:1復用器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換為高效實現(xiàn)的過程。復用器重構(gòu)算法的面積節(jié)省由壓縮實現(xiàn)。但是，在不同的復用器表征中進行轉(zhuǎn)換，通常需要附加控制邏輯。實際上，由于附加邏輯結(jié)構(gòu)抵消了使用高效復用器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，這種轉(zhuǎn)換很少能夠產(chǎn)生真正的面積節(jié)省。而復用器重構(gòu)算法采用新穎的將整個復用器總線進行轉(zhuǎn)換的方法，這樣，總線上的多個復用器可以共享控制邏輯，因此，改善后的復用器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢可通過總線上的每個復用器來實現(xiàn)。

圖7

--- 圖7顯示了如何將三個2:1復用器組成的優(yōu)先級鏈轉(zhuǎn)換為一個4:1二進制復用器。假設控制輸入由不相關的邏輯饋入，那么這種轉(zhuǎn)換至多需要兩個額外的4-LUT控制邏輯。如果最初的復用器至少占用三個4-LUT，而4:1復用器只需要兩個即可實現(xiàn)，那么這種轉(zhuǎn)換將節(jié)省3寬度或者更寬總線的面積。

圖8

--- 圖8顯示了如何將一組排列成樹的2:1復用器轉(zhuǎn)換為一個4:1復用器。在這種情況下，通過仔細為4:1復用器選擇編碼方式，使S0在（A、B）和（C、D）之間進行選擇，限制附加控制邏輯，只加入最多一個4-LUT。此時，這種轉(zhuǎn)換將節(jié)省2寬度或者更寬總線的面積。

--- 一般來講，任何的三個2:1復用器組都可以通過圖7或圖8的方式轉(zhuǎn)換為一個4:1復用器。但是，這兩種轉(zhuǎn)換必須在寬度大于2的復用器總線上進行，以減小所需4-LUT的數(shù)量，實際上，如果這兩種轉(zhuǎn)換不在總線上進行，將沒有意義。

--- 總線上2:1復用器三聯(lián)重新編碼是復用器重構(gòu)算法的核心。 第4節(jié)將闡述形成數(shù)量最多三聯(lián)的新方法。

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4. 復用器總線

4.1 “庫”的構(gòu)造

--- 壓縮減小了其所編碼的每一個2:1復用器三聯(lián)面積，因此，壓縮應用在較大的復用器樹上最有效。本節(jié)闡述大型復用器樹是如何構(gòu)建的。設計中所有的總線都將被存儲在一種稱為“庫”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

--- 復用器樹采用下面的方法構(gòu)建。設計中所有2:1復用器以反向深度順序排列。這意味著那些離寄存器或者輸出引腳最近的復用器將排在列表前面。然后從頭至尾掃描列表，尋找每一個2:1復用器，如果其輸出僅與另一個2:1復用器相連，則將該復用器和與其相連的復用器一起加到復用器樹中。否則，將此2:1復用器作為一個新復用器樹的首復用器。以此方式來構(gòu)建的復用器樹含有最大數(shù)量的復用器。

--- 如果復用器樹中復用器的所有數(shù)據(jù)輸入均不是由同一個樹中其他的2:1復用器饋入，則稱此復用器為初級輸入（對整個樹而言）。

--- 一旦所有的復用器樹已經(jīng)形成，則將其合并成總線。如果兩個復用器樹要并入同一個總線，它們必須具有相同的結(jié)構(gòu)，即2:1復用器的排列相同，并且都有完全一致的控制輸入。這可以通過根據(jù)復用器結(jié)構(gòu)，對所有復用器樹列表排序來實現(xiàn)，在列表中將結(jié)構(gòu)相同的樹靠近排列。總線可直接由結(jié)構(gòu)相同的樹構(gòu)成。

--- 通過規(guī)則選取來實現(xiàn)總線寬度最大化。寬總線可以將由壓縮引入的控制邏輯開銷降低到最小。

--- 4.2 重構(gòu)

--- 4.3節(jié)描述均衡方法，該方法能夠使壓縮得到的面積減小最大化。均衡建立在重構(gòu)的基礎上，其概念由本節(jié)給出。

--- 通過2:1復用器所饋入的一個2:1復用器，重構(gòu)移動該復用器及其一個輸入。圖9顯示了陰影復用器與其“f”輸入的重構(gòu)。為保持原始復用器總線的功能，需要附加一些控制邏輯。這些控制邏輯同樣可以由總線上的每一個復用器樹來分擔。

圖9

--- 圖9中，重新編碼邏輯(c6 AND (NOT c3))必須確保當c1、c3為“假”而c6為“真”時，選擇輸入“f”（與轉(zhuǎn)換前的情況一致）。同樣，當c1、c3、c6為“假”時，選擇輸入“g”，即(c6 AND (NOT c3))也是“假”。
--- 重構(gòu)轉(zhuǎn)換將選中的復用器進一步向復用器樹頂端移動。因此，不斷重復重構(gòu)轉(zhuǎn)換，可以將任意位置的復用器向頂端移動。

--- 4.3 均衡

--- 壓縮通過轉(zhuǎn)換2:1復用器三聯(lián)，能夠減少實現(xiàn)復用器總線所需的4-LUT數(shù)量。但是，如果不進行復用器樹重構(gòu)，有些結(jié)構(gòu)是不可能得到最佳三聯(lián)分組的。例如，無法將圖10中所有的2:1復用器進行分組，這是因為每一種可能的分組都將會剩余一個2:1復用器而無法處理。

--- 均衡的目的在于通過最少的重構(gòu)得到最佳的壓縮。對于圖10的例子，可以采用圖11所示的方法，得到兩組2:1復用器三聯(lián)。

--- 均衡算法由圖12的遞歸定義。由首復用器開始，算法首先均衡復用器樹左面和右面數(shù)據(jù)輸入。均衡返回還沒有連接為三聯(lián)的2:1復用器的數(shù)量。均衡確保形成盡可能多的三聯(lián)，這樣只會剩余一個或者兩個2:1復用器，甚至沒有剩余。

--- 均衡中的任何階段，都需要對1～5個2:1復用器進行均衡（從左側(cè)分支開始最多兩個，從右側(cè)分支開始為兩個，還要算上當前的2:1復用器本身）。1或2個復用器不會形成更多的三聯(lián)，而3個復用器總是能夠形成三聯(lián)。4或5個復用器則需要進行重構(gòu)，以免剩余無法處理的復用器，這種重構(gòu)方法在圖13和圖14中示出。

圖10 復用器樹次優(yōu)壓縮的例子

圖11 由均衡未完善壓縮


圖12 均衡算法

圖 13重構(gòu)4個復用器實現(xiàn)均衡


圖14 重構(gòu)5個復用器實現(xiàn)均衡

5. 算法總結(jié)

--- 本文引入了復用器樹總線概念，描述了可用來提高壓縮性能的均衡方法，壓縮以效率更高的4:1復用器來替代2:1復用器三聯(lián)。圖15顯示了全部復用器重構(gòu)算法。

--- 復用器重構(gòu)算法性能依賴于對較大復用器樹總線的識別。由于復用器重構(gòu)算法在整個總線上分擔控制邏輯，因此，總線越寬，壓縮的效果就越明顯。優(yōu)化會減小復用器樹間的相似性，從而減小所尋找的總線寬度，因此在復用器重構(gòu)之前，應盡量避免優(yōu)化。

--- 復用器重構(gòu)以分解大的復用器為2:1復用器開始。設計中所有2:1復用器都用于形成4.1節(jié)所描述的復用器樹。結(jié)構(gòu)相似的復用器樹然后合并形成4.1節(jié)中的總線結(jié)構(gòu)。

--- 算法的主要部分依次優(yōu)化每一個總線。均衡將2:1復用器重新排列為三聯(lián)，這樣在壓縮階段，每個三聯(lián)能夠重新編碼為效率更高的4:1復用器。

6. 結(jié)果

--- 本文所闡述的算法已經(jīng)集成到Altera Quartus II 4.2綜合軟件中。圖16顯示120個真實用戶設計中，Altera基準測試的面積減小結(jié)果。

--- 結(jié)果表明，一小部分設計所需的LUT數(shù)量減小了20%，超過四成的設計面積減小了5%以上。所有設計面積平均減小了4.2%。

--- 據(jù)估算，面積減少平均4.2%意味著復用器平均減少了17%。

--- 復用器重構(gòu)主要集中在減小面積上（例如，減少所需4-LUT的數(shù)量），而且對電路速率影響不大，電路平均速率僅降低1%。

7. 結(jié)論

--- 本文闡述了復用器重構(gòu)算法，該算法能夠?qū)⒃O計中實現(xiàn)復用器所需的4-LUT數(shù)量平均減少17%。

--- 復用器重構(gòu)算法的關鍵在于優(yōu)化復用器總線。即使附加了控制邏輯，新優(yōu)化算法仍能夠減小總線上每個比特位的面積。這是由于控制邏輯可以由總線共享，其面積代價可以抵消。

--- 壓縮將2:1復用器三聯(lián)轉(zhuǎn)換為有效的4:1復用器。盡管可能需要附加LUT對4:1復用器控制線進行重新編碼，這種代價可以通過采用復用器總線整體壓縮方法來抵消。此外，通過構(gòu)建最大的復用器樹，可對大量的2:1復用器三聯(lián)進行轉(zhuǎn)換。

--- 本文還引入了能夠提高壓縮算法效率的均衡方法。本文描述了面向基于4-LUT的FPGA算法，例如Altera Stratix I和Cyclone器件。新的FPGA體系結(jié)構(gòu)可使用不同大小的查找表（如Stratix II體系結(jié)構(gòu)能夠采用4、5、6輸入LUT）。可采用本文闡述的方法來進一步減小這些體系結(jié)構(gòu)的面積。

參考文獻

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