一文解析FPGA的片上資源使用情況（組合邏輯及時序邏輯）

　　FPGA簡介

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array）， 即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　本文主要介紹的是FPGA的片上資源使用情況，分別是從組合邏輯及時序邏輯來詳細(xì)的分析。

　　解析FPGA的片上資源使用情況

　　如何分析FPGA芯片上的組合邏輯（LUT）和時序邏輯（REG）的利用率。

　　一、如何得到LUT與REG的使用比例

? ? ? ? 我們先看一個FPGA工程的編譯結(jié)果報告：

　　在這個報告中，我們可以看到如下信息：

　　Total logic elements 24071/24624（98%）： 該芯片中共有24624個LE資源，其中的98%在這個工程的這次編譯中得到了使用。

　　Total combinational functions 21612/24624（88%）： 該芯片的24624個LE資源中，88%用于實現(xiàn)組合邏輯。

　　Dedicated logic registers 8858/24624（36%）： 該芯片的24624個LE資源中，36%用于實現(xiàn)寄存器，即時序邏輯。

　　就是從上述信息中，我得到了組合邏輯與時序邏輯的使用比例——21612/8858 = 2.4:1。

　　二、一份更詳細(xì)的資源利用率報告

　　在這個報告中，有一點可能會令人困惑：為什么Total combinational functions與Dedicated logic registers之和（30470）大于Total logic elements（24071），甚至大于該芯片的總資源（24624）。我們再來看一份更詳細(xì)的資源使用報告——Fitter Resource Usage Summary：

　　這份報告包含很多信息，在這里我們只需要關(guān)心Total logic elements一項。Total logic elements 24071/24624（98%）由三種使用情況不同的LE資源組成：僅用于實現(xiàn)組合邏輯的LE（Combinational with no register 15213），僅用于實現(xiàn)時序邏輯的LE（Register only 2459），同時用于實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯的LE（Combinational with a register 6399）。

　　三、從Resource Property Editor看LE的使用情況

　　在進(jìn)一步分析這些數(shù)據(jù)之前，我們有必要回顧一下FPGA的基本組成元素LE（Logic Element）的結(jié)構(gòu)和功能。以Altera的Cyclone III系列FPGA芯片為例，其LE內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　這個LE同時用于實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯，其中藍(lán)色部分為組合邏輯（一個4輸入LUT），其中黃色高亮部分為時序邏輯（一個D觸發(fā)器）。 我們再來看一個更有趣的LE：

　　這個LE也同時用于實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯，與上一幅圖不同的地方在于，這里的組合邏輯（4輸入LUT）與時序邏輯（REG）并沒有連接關(guān)系。組合邏輯從COMBOUT直接輸出，時序邏輯從REGOUT輸出。這種互不相關(guān)的組合邏輯與時序邏輯共用同一個LE的情況很特殊，這是采用了Register Packing資源優(yōu)化技術(shù)之后的實現(xiàn)方式。如果沒有采用這一資源優(yōu)化技術(shù)，就要用兩個LE來分別實現(xiàn)相應(yīng)的組合邏輯和時序邏輯。

　　明白了上面這兩幅圖，大家也能由此類推，想象出僅用于實現(xiàn)組合邏輯的LE（Combinational with no register）和僅用于實現(xiàn)時序邏輯的LE（Register only）該是什么樣子。

　　四、“數(shù)字終于對上了！”

　　我們回到前面關(guān)于資源利用率分析的部分。有了上面介紹的知識，大家應(yīng)該能夠把資源利用率報告中三種使用情況不同的LE區(qū)分開了。

　　我們把“同時用于實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯的LE（6399）”分別加到“僅用于實現(xiàn)組合邏輯的LE（15213）”和“僅用于實現(xiàn)時序邏輯的LE（2459）”上面，就可以得到“全部組合邏輯”（Total combinational functions = 6399 + 15213 = 21612）和“全部寄存器”（Dedicated logic registers = 6399 + 2459 = 8858）兩個數(shù)值了。這兩個數(shù)值就是第一幅圖中關(guān)于資源利用率的匯總報告結(jié)果，它們的比例恰好就是2.4:1。

　　由于6399這個數(shù)字被使用了兩次，所以我們最初關(guān)于“Total combinational functions與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。

　　五、總結(jié)

　　由于FPGA設(shè)計中用到的組合邏輯與時序邏輯的數(shù)量不均衡，部分LE會僅用于實現(xiàn)組合邏輯或時序邏輯；進(jìn)一步，由于布局位置的限制，單獨實現(xiàn)組合邏輯或時序邏輯的兩個LE可能不能合并到一個LE中實現(xiàn)。所以，在資源利用率報告中會出現(xiàn)三種使用情況不同的LE。

　　由于過長的組合邏輯鏈（級聯(lián)的LUT）會引入較大的延時，而時序邏輯（REG）能夠把較長的組合邏輯鏈分割成較短的組合邏輯鏈，有效地縮短關(guān)鍵路徑和次關(guān)鍵路徑的長度，進(jìn)而提高該FPGA設(shè)計的整體時序性能，所以組合邏輯與時序邏輯的使用比例可以作為評價一個FPGA設(shè)計時序性能的輔助參數(shù)。

　　過于復(fù)雜的組合邏輯也會占用多個LE。我們在編寫HDL代碼的時候，不能單獨把減少Register的使用量作為節(jié)省資源的手段，而應(yīng)該兼顧組合邏輯與時序邏輯，根據(jù)目標(biāo)PLD器件的底層結(jié)構(gòu)，編寫組合邏輯和時序邏輯比例符合PLD器件資源比例的代碼。