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記得Long long time ago，特權同學(xué)寫(xiě)過(guò)一篇簡(jiǎn)短的博文《M4K使用率》，文章中提到了Cyclone器件的內嵌存儲塊M4K的配置問(wèn)題。文中提到了這個(gè)M4K塊除了存儲大小是有限的4Kbit，它的可配置的Port數量也是有限的，通常為最大36個(gè)可用port。 當時(shí)只是簡(jiǎn)單的提到有這么回事，提醒使用者注意，也沒(méi)有具體的談到如何解決或者確切的說(shuō)應該是避免這樣的狀況出現。因此，本文將結合特權同學(xué)近期在使用FPGA時(shí)，配置片內存儲器遇到的一些片內資源無(wú)法得到充分利用的問(wèn)題，更深入的探討如何在既有的基礎上優(yōu)化我們的配置，也就是標題所言，我們的目標是“榨干FPGA的片上存儲資源”。 關(guān)于如何在綜合或布局布線(xiàn)后查看FPGA的片上存儲資源的使用情況，就Quartus II軟件，這里要先教大家幾招，讓大家在系統設計完后對自己的存儲資源情況做到明明白白、心中有數，這對將來(lái)的產(chǎn)品維護、升級乃至完全推到重來(lái)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，首先映入設計者眼簾的是Flow Summary頁(yè)面。當然設計者也可以如圖1所示，直接找到菜單欄點(diǎn)擊ProcessingàCompilation Report選項查看。 
再看Flow Summary頁(yè)面，如圖2所示，其他選項這里不說(shuō)了，就看Total memory bits后圈出來(lái)的部分：103,264/165,888(62%)。這里意思也很明白，特權使用的器件EP2C8Q208C8的片內存儲器總大小是 165,888bit，而在該工程中使用了103,264bit，使用率是62%。
OK，那么我們再來(lái)看看詳細的存儲資源都用在哪里了。如圖3所示，點(diǎn)開(kāi)編譯報告的Analysis&SynthesisàRAM Summary。
同時(shí)在頁(yè)面右側就彈出如圖4所示的詳細的存儲資源分配情況。在這個(gè)頁(yè)面的報告中，我們只能簡(jiǎn)單的看到存儲資源的詳細使用位置、存儲資源類(lèi)型（即是使用了專(zhuān)用的片內存儲資源還是用邏輯資源構造的，顯然用邏輯資源是很浪費甚至說(shuō)不現實(shí)的）、存儲器類(lèi)型（即RAM/ROM/FIFO等）、存儲器的位寬和深度信息以及存儲量大小，還有就是是否有初始化文件映射。
因為是綜合報告的一部分，所以不針對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(kāi)頭就提到的M4K塊使用數量甚至是我們所例化的存儲器具體都使用了哪些M4K塊。不用擔心，咱的這點(diǎn)好奇心開(kāi)發(fā)商還是能夠滿(mǎn)足的。下面我們就接著(zhù)打開(kāi)編譯報告里的FitteràResource SectionàRAM Summary選項（方法同圖3）。我們可以看到如圖5所示的，哦，很抱歉由于頁(yè)寬有限，所以name一欄沒(méi)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(shuō)這個(gè)Location一欄，它就是前面提到設計者可能關(guān)心的具體的M4K塊都是哪些，而M4Ks一欄就是使用的M4K塊的數量，其他選項類(lèi)同，讀者可以自己分析�？吹竭@些，估計已經(jīng)是一目了然了，設計者對自己例化的每一個(gè)片內存儲器的具體的使用情況都應該有所了解。
但是，估計細心的讀者會(huì )問(wèn)，我知道了我所例化的每個(gè)存儲器的M4K塊使用數量，那么我怎么知道是否超出了器件所有的數量，難道非要等到編譯出 error才行嗎？或者自己在這個(gè)頁(yè)面掐指算算再找來(lái)handbook比對一下嗎？非也，其實(shí)用戶(hù)只要點(diǎn)開(kāi)FitteràResource SectionàResource Usage Summary，如圖6所示，里面羅列了非常詳細的FPGA所有片上資源的使用情況，圈出來(lái)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和前面綜合報告里是一樣的，嚴格的說(shuō)，這個(gè)數據應該算是片內存儲資源的絕對使用情況；最后說(shuō)Total block memory implementation bits選項，它是最終實(shí)現到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(yǔ)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，但是這里特權同學(xué)想區分這個(gè)概念，所以刻意要提醒大家注意，因為，它還涉及本文的主題，哈哈，不好意思，有點(diǎn)班門(mén)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(lái)說(shuō)正事。特權同學(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），對于該設計就是(62% / 72%) = 86.11%，應該說(shuō)是個(gè)不錯的數據（呵呵，悄悄的告訴你，這個(gè)實(shí)例可是被特權同學(xué)優(yōu)化過(guò)了）。 說(shuō)完這些概念，我們可以真刀真槍的玩一玩了，理論永遠只是理論，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(guò)程中的一個(gè)最顯著(zhù)的例子。 在這個(gè)工程中，有一連串的8bit數據流，第1個(gè)數據要和第1280個(gè)數據做一些處理。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)移入的數據移出時(shí)，要和此時(shí)要正要移入的數據做一些處理。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數量乘以distance值（建議對移位寄存器配置的相關(guān)知識還不熟悉的朋友參考特權同學(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256*5/128*10/64*20都是可行的辦法。
剛開(kāi)始配置的時(shí)候沒(méi)有太多考慮，就選擇了64*20的方案，即配置taps = 24（因為taps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。如果你夠細心，你應該發(fā)現了左下角的Resource Usage是6 M4K。
然后就著(zhù)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器資源的使用情況。因為我們重點(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)報告吧。如圖9所示，這個(gè)報告中的Total block memory bits和之前沒(méi)有變，都是62%，而M4Ks占用多了2個(gè)，相應的M4Ks占用率和Total block memory implementation bits占用率增加到了78%。計算一下，(62% / 78%) = 79.5%，下降了近7個(gè)百分點(diǎn)。也許這個(gè)參數說(shuō)明不了問(wèn)題，但是在資源緊張的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題就是最撓人的問(wèn)題。
再提特權同學(xué)發(fā)現問(wèn)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(guò)最終的設計是要實(shí)現在向下兼容的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，移位寄存器的存儲資源利用率不高不是因為本身存儲量大（只有1280*8bit=10Kbit，需要3個(gè)M4K足夠），而是因為生成的taps占用的port過(guò)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。
如圖11所示，其實(shí)這個(gè)工程最終實(shí)現到EP2C5Q上是沒(méi)有問(wèn)題的，但是如果沒(méi)有類(lèi)似移位寄存器例子中的一些優(yōu)化，存儲器資源還是很緊張的。
說(shuō)到這里，雖然已經(jīng)洋洋灑灑圖文并茂好長(cháng)一篇文章了。但是，還是很想再提一些和FPGA片上存儲資源相關(guān)的問(wèn)題。關(guān)于Cyclone/Cyclone II的M4K到Cyclone III的M9K，可能還有一些M512，將來(lái)不知道會(huì )不會(huì )有什么M32K/M128K/M1M云云的概念出來(lái)。但是就特權同學(xué)對目前器件使用的一點(diǎn)經(jīng)驗上來(lái)看，這個(gè)MXX的塊存儲量越大，雖然總的存儲量也會(huì )越來(lái)越大（不能否定它能夠滿(mǎn)足片內大存儲量應用的需求），但是相應的在工程需要的很多小存儲應用中對存儲塊的利用率也會(huì )越來(lái)越低。因為，對于用戶(hù)例化的任何一個(gè)存儲器，如果使用M4K塊實(shí)現一個(gè)8bit的512B/256B/128B/64B甚至哪怕只有1B的應用，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，我的設計中需要兩個(gè)1*8bit的FIFO（當然實(shí)際應用中沒(méi)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(wèn)題。這也是制約著(zhù)極大多數的應用中，特權同學(xué)提到的FPGA片內存儲資源利用率無(wú)法100%的原因。其實(shí)，這也是最近特權同學(xué)的另一個(gè)項目中搭建的NIOS2平臺，如圖12所示，各種簡(jiǎn)單的外設都分別要占用一點(diǎn)片內存儲器（沒(méi)有充分的利用M9K的資源），直接導致整個(gè)利用率很低的原因。針對與這種情況，不知道器件廠(chǎng)商是否有所考慮，也許對他們而言，也是處在一種魚(yú)和熊掌不可兼得的矛盾之中。
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