復(fù)用器重構(gòu)降低FPGA成本

1、復(fù)用器重重構(gòu)降低低FPGGA成本本 摘 要： 本文文介紹了了一種新新的復(fù)用用器重構(gòu)構(gòu)算法，能夠降降低FPPGA實實際設(shè)計計20的成本本。該算算法通過過減少復(fù)復(fù)用器所所需查找找表（LLUT）的數(shù)量量來實現(xiàn)現(xiàn)。算法法以效率率更高的的4:11復(fù)用器器替代22:1復(fù)復(fù)用器樹樹。算法法性能的的關(guān)鍵在在于尋找找總線上上出現(xiàn)的的復(fù)用器器數(shù)量。新的優(yōu)優(yōu)化方法法占用一一定的邏邏輯，這這些邏輯輯由總線線進行分分擔(dān)，從從而減少少了總線線上每個個比特位位所需的的邏輯。 （本本站編者者：該算算法已經(jīng)經(jīng)集成在在QuaartuusIII4.22軟件中中，使用用QuaartuusIii進行綜綜合HDDL語言言時會自自動調(diào)用用

2、該算法法進行綜綜合，本本文介紹紹該算法法的詳情情，本文文適合希希望深入入了解算算法的用用戶閱讀讀） 關(guān)鍵詞： FPPGA；復(fù)用器器；重構(gòu)構(gòu)；重新新編碼；總線；邏輯優(yōu)優(yōu)化；綜綜合 1. 引引言 - 復(fù)用器器是數(shù)據(jù)據(jù)通道常常用的構(gòu)構(gòu)建模塊塊，被廣廣泛應(yīng)用用在處理理器11、處處理器總總線、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換換，甚至至是資源源共享的的DSPP設(shè)計中中。據(jù)估估計，復(fù)復(fù)用器一一般要占占用一個個FPGGA設(shè)計計2 255%以上上的面積積。因此此，優(yōu)化化FPGGA設(shè)計計的關(guān)鍵鍵在于怎怎樣優(yōu)化化復(fù)用器器。 - 本文介介紹了一一種新的的復(fù)用器器重構(gòu)算算法，該該算法減減小了復(fù)復(fù)用器在在基于44輸入查查找表（4-LLUT）F

3、PGGA體系系結(jié)構(gòu)中中所占用用的面積積。基準(zhǔn)準(zhǔn)測試結(jié)結(jié)果表明明復(fù)用器器平均減減少了117%，在一些些設(shè)計中中，4-LUTT整體減減少200%。 - 2.11節(jié)闡述述了復(fù)用用器是如如何由行行為級VVHDLL4或Veerillog5代代碼產(chǎn)生生的，22.2和和2.33節(jié)闡述述復(fù)用器器樹和復(fù)復(fù)用器總總線在設(shè)設(shè)計中是是怎樣生生成的。2.44節(jié)說明明這些結(jié)結(jié)構(gòu)怎樣樣由4-LUTT實現(xiàn)，闡述如如何采用用兩個44-LUUT有效效實現(xiàn)一一個4:1二進進制復(fù)用用器。- 第3節(jié)節(jié)介紹了了一種叫叫做壓縮縮的新技技術(shù)，該該技術(shù)附附加一些些控制邏邏輯，將將多個22:1復(fù)復(fù)用器重重新組合合為有效效的4:1復(fù)用用器，從從而

4、減少少了為總總線上每每一個比比特位實實現(xiàn)復(fù)用用器所需需要的44-LUUT數(shù)量量，所附附加的控控制邏輯輯代價由由整個總總線來分分擔(dān)。優(yōu)優(yōu)化復(fù)用用器總線線是復(fù)用用器重構(gòu)構(gòu)算法的的核心。 - 4.11節(jié)闡述述復(fù)用器器重構(gòu)算算法如何何構(gòu)建設(shè)設(shè)計中的的復(fù)用器器樹總線線。4.2節(jié)的的重構(gòu)方方法用于于執(zhí)行44.3節(jié)節(jié)中定義義的均衡衡算法。均衡增增加了由由壓縮生生成的有有效4:1復(fù)用用器的數(shù)數(shù)量。 - 第5節(jié)節(jié)總結(jié)了了在Allterra QQuarrtuss III集成綜綜合中運運行的整整個算法法。第66節(jié)列出出了來自自1200個Allterra真實實用戶設(shè)設(shè)計實例例的基準(zhǔn)準(zhǔn)測試結(jié)結(jié)果，測測試表明明面積減減少

5、超過過20%，平均均節(jié)省了了4.22%。 2. 背背景知識識 - 2.11 復(fù)用用器在設(shè)設(shè)計中是是怎樣實實現(xiàn)的 - 行為級級HDLL設(shè)計中中的任何何條件代代碼通常常會綜合合為復(fù)用用器。本本節(jié)闡述述兩個最最常用的的復(fù)用器器生成代代碼實例例。 - 圖1是是VHDDL的ccasee聲明及及其2:1復(fù)用用器樹的的實現(xiàn)。采用VVeriilogg caase聲聲明的“parralllel casse”指指令55可產(chǎn)產(chǎn)生相似似的結(jié)果果。 圖1 - 注意，并不是是所有的的casse聲明明都能將將可能的的事件描描述清楚楚，需要要依靠“deffaullt”或或者“ootheers”條件來來進一步步說明。在這些些情

6、況下下，可以以繼續(xù)將將casse聲明明表征為為2:11復(fù)用器器樹，但但是這種種樹結(jié)構(gòu)構(gòu)可能達達不到平平衡。- 圖2顯顯示了“if-theen-eelsee”聲明明是怎樣樣產(chǎn)生一一個2:1復(fù)用用器鏈的的。Veerillog的的“?:”和非非平行ccasees可同同樣產(chǎn)生生相似的的結(jié)構(gòu)。注意，復(fù)用器器鏈確保保如果第第一個iif條件件為“真真”，將將選擇“a”數(shù)數(shù)據(jù)輸入入，而復(fù)復(fù)用器其其他部分分將被忽忽略。 - 本文闡闡述的復(fù)復(fù)用器重重構(gòu)算法法應(yīng)用于于2:11復(fù)用器器。綜合合工具由由行為級級代碼開開始通常常會生成成較大的的復(fù)用器器。較大大的復(fù)用用器總是是被分解解為2:1復(fù)用用器樹，如何實實現(xiàn)這種種分

7、解已已經(jīng)超出出本文討討論范圍圍。 圖2 iif-tthenn-ellse聲聲明生成成的邏輯輯 圖33 HDDL生成成的復(fù)用用器材 圖4 生成復(fù)復(fù)用器總總線 - 2.22 復(fù)用用器樹 - 設(shè)計中中復(fù)用器器之間的的饋入是是常見的的現(xiàn)象。例如，在一段段HDLL代碼中中，如下下面的圖圖3所示示，iff-thhen-elsse聲明明中含有有casse聲明明就會產(chǎn)產(chǎn)生這種種現(xiàn)象。 - 在在復(fù)用器器重構(gòu)算算法中，識別出出較大的的復(fù)用器器樹對于于盡可能能減少面面積是非非常重要要的。 - 2.33 復(fù)用用器總線線 - VHDDL信號號或Veerillog線線寬通常常會超過過一個比比特位。當(dāng)采用用if-theen

8、-eelsee和caase聲聲明時，將會生生成大量量具有不不同數(shù)據(jù)據(jù)輸入的的相同復(fù)復(fù)用器樹樹，圖44是一個個實例。一組具具有相同同結(jié)構(gòu)的的復(fù)用器器稱為復(fù)復(fù)用器樹樹總線。 - 本文闡闡述的復(fù)復(fù)用器重重構(gòu)技術(shù)術(shù)采用了了新的對對整個復(fù)復(fù)用器總總線進行行優(yōu)化的的方法，它通過過由4.1節(jié)中中進一步步闡述的的總線識識別和形形成技術(shù)術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)。 - 2.44 復(fù)用用器代價價 - 在許多多情況下下，每個個2:11復(fù)用器器都需要要一個單單獨的44-LUUT。這這樣，圖圖1和圖圖2中的的復(fù)用器器結(jié)構(gòu)都都需要三三個4-LUTT。盡管管這些結(jié)結(jié)構(gòu)控制制編碼不不同，但但是它們們都具有有4個不不同的數(shù)數(shù)據(jù)輸入入，因此此可

9、以當(dāng)當(dāng)作4:1復(fù)用用器。本本節(jié)闡述述如何實實現(xiàn)只需需要兩個個4-LLUT的的4:11復(fù)用器器。 - 圖5是是控制輸輸入S00低電平平時，一一個有效效的4:1復(fù)用用器是如如何工作作的。44:1復(fù)復(fù)用器由由兩個鏈鏈接在一一起的44-LUUT（陰陰影框所所示）構(gòu)構(gòu)成。每每個4-LUTT被設(shè)置置為含有有陰影框框中的邏邏輯功能能。如白白框所示示，復(fù)用用器含有有四個輸輸入a、bb、c和和d，以以及兩個個控制輸輸入S0和和S1。圖5 - S0低低電平時時，低位位控制比比特S11在輸入入c和dd中進行行選擇，其結(jié)果果通過第第二個44-LUUT，將將a或者者b輸入入旁路。圖6 - 圖6是是控制輸輸入S00高電平

10、平時，一一個有效效的4:1復(fù)用用器是如如何工作作的。低低位控制制比特SS1旁路路c和dd輸入，直接進進入第二二個4-LUTT，對aa或者bb輸入進進行選擇擇，其結(jié)結(jié)果成為為第二個個4-LLUT的的輸出。 - 第3節(jié)節(jié)描述的的壓縮算算法采用用這種有有效的44:1復(fù)復(fù)用器，重新實實現(xiàn)復(fù)用用器結(jié)構(gòu)構(gòu)，達到到了減小小面積的的目的。 3. 壓壓縮 - 壓縮是是將低效效的4:1復(fù)用用器實現(xiàn)現(xiàn)轉(zhuǎn)換為為高效實實現(xiàn)的過過程。復(fù)復(fù)用器重重構(gòu)算法法的面積積節(jié)省由由壓縮實實現(xiàn)。但但是，在在不同的的復(fù)用器器表征中中進行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，通通常需要要附加控控制邏輯輯。實際際上，由由于附加加邏輯結(jié)結(jié)構(gòu)抵消消了使用用高效復(fù)復(fù)用器結(jié)結(jié)構(gòu)

11、的優(yōu)優(yōu)勢，這這種轉(zhuǎn)換換很少能能夠產(chǎn)生生真正的的面積節(jié)節(jié)省。而而復(fù)用器器重構(gòu)算算法采用用新穎的的將整個個復(fù)用器器總線進進行轉(zhuǎn)換換的方法法，這樣樣，總線線上的多多個復(fù)用用器可以以共享控控制邏輯輯，因此此，改善善后的復(fù)復(fù)用器結(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢勢可通過過總線上上的每個個復(fù)用器器來實現(xiàn)現(xiàn)。 圖7- 圖7顯顯示了如如何將三三個2:1復(fù)用用器組成成的優(yōu)先先級鏈轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為一一個4:1二進進制復(fù)用用器。假假設(shè)控制制輸入由由不相關(guān)關(guān)的邏輯輯饋入，那么這這種轉(zhuǎn)換換至多需需要兩個個額外的的4-LLUT控控制邏輯輯。如果果最初的的復(fù)用器器至少占占用三個個4-LLUT，而4:1復(fù)用用器只需需要兩個個即可實實現(xiàn)，那那么這種種轉(zhuǎn)換將將

12、節(jié)省33寬度或或者更寬寬總線的的面積。 圖8- 圖8顯顯示了如如何將一一組排列列成樹的的2:11復(fù)用器器轉(zhuǎn)換為為一個44:1復(fù)復(fù)用器。在這種種情況下下，通過過仔細為為4:11復(fù)用器器選擇編編碼方式式，使SS0在（A、BB）和（C、DD）之間間進行選選擇，限限制附加加控制邏邏輯，只只加入最最多一個個4-LLUT。此時，這種轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換將節(jié)節(jié)省2寬寬度或者者更寬總總線的面面積。 - 一般來來講，任任何的三三個2:1復(fù)用用器組都都可以通通過圖77或圖88的方式式轉(zhuǎn)換為為一個44:1復(fù)復(fù)用器。但是，這兩種種轉(zhuǎn)換必必須在寬寬度大于于2的復(fù)復(fù)用器總總線上進進行，以以減小所所需4-LUTT的數(shù)量量，實際際上，如如

13、果這兩兩種轉(zhuǎn)換換不在總總線上進進行，將將沒有意意義。 - 總線上上2:11復(fù)用器器三聯(lián)重重新編碼碼是復(fù)用用器重構(gòu)構(gòu)算法的的核心。 第44節(jié)將闡闡述形成成數(shù)量最最多三聯(lián)聯(lián)的新方方法。 4. 復(fù)用器器總線4.1 “庫”的構(gòu)造造 - 壓縮減減小了其其所編碼碼的每一一個2:1復(fù)用用器三聯(lián)聯(lián)面積，因此，壓縮應(yīng)應(yīng)用在較較大的復(fù)復(fù)用器樹樹上最有有效。本本節(jié)闡述述大型復(fù)復(fù)用器樹樹是如何何構(gòu)建的的。設(shè)計計中所有有的總線線都將被被存儲在在一種稱稱為“庫庫”的數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)中。 - 復(fù)用器器樹采用用下面的的方法構(gòu)構(gòu)建。設(shè)設(shè)計中所所有2:1復(fù)用用器以反反向深度度順序排排列。這這意味著著那些離離寄存器器或者輸輸出引腳腳最

14、近的的復(fù)用器器將排在在列表前前面。然然后從頭頭至尾掃掃描列表表，尋找找每一個個2:11復(fù)用器器，如果果其輸出出僅與另另一個22:1復(fù)復(fù)用器相相連，則則將該復(fù)復(fù)用器和和與其相相連的復(fù)復(fù)用器一一起加到到復(fù)用器器樹中。否則，將此22:1復(fù)復(fù)用器作作為一個個新復(fù)用用器樹的的首復(fù)用用器。以以此方式式來構(gòu)建建的復(fù)用用器樹含含有最大大數(shù)量的的復(fù)用器器。 - 如果復(fù)復(fù)用器樹樹中復(fù)用用器的所所有數(shù)據(jù)據(jù)輸入均均不是由由同一個個樹中其其他的22:1復(fù)復(fù)用器饋饋入，則則稱此復(fù)復(fù)用器為為初級輸輸入（對對整個樹樹而言）。 - 一旦所所有的復(fù)復(fù)用器樹樹已經(jīng)形形成，則則將其合合并成總總線。如如果兩個個復(fù)用器器樹要并并入同一一

15、個總線線，它們們必須具具有相同同的結(jié)構(gòu)構(gòu)，即22:1復(fù)復(fù)用器的的排列相相同，并并且都有有完全一一致的控控制輸入入。這可可以通過過根據(jù)復(fù)復(fù)用器結(jié)結(jié)構(gòu)，對對所有復(fù)復(fù)用器樹樹列表排排序來實實現(xiàn)，在在列表中中將結(jié)構(gòu)構(gòu)相同的的樹靠近近排列。總線可可直接由由結(jié)構(gòu)相相同的樹樹構(gòu)成。 - 通過規(guī)規(guī)則選取取來實現(xiàn)現(xiàn)總線寬寬度最大大化。寬寬總線可可以將由由壓縮引引入的控控制邏輯輯開銷降降低到最最小。- 4.22 重構(gòu)構(gòu) - 4.33節(jié)描述述均衡方方法，該該方法能能夠使壓壓縮得到到的面積積減小最最大化。均衡建建立在重重構(gòu)的基基礎(chǔ)上，其概念念由本節(jié)節(jié)給出。 - 通過22:1復(fù)復(fù)用器所所饋入的的一個22:1復(fù)復(fù)用器，重

16、構(gòu)移移動該復(fù)復(fù)用器及及其一個個輸入。圖9顯顯示了陰陰影復(fù)用用器與其其“f”輸入的的重構(gòu)。為保持持原始復(fù)復(fù)用器總總線的功功能，需需要附加加一些控控制邏輯輯。這些些控制邏邏輯同樣樣可以由由總線上上的每一一個復(fù)用用器樹來來分擔(dān)。 圖9- 圖9中中，重新新編碼邏邏輯(cc6 AAND (NOOT cc3)必須確確保當(dāng)cc1、cc3為“假”而而c6為為“真”時，選選擇輸入入“f”（與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換前的的情況一一致）。同樣，當(dāng)c11、c33、c66為“假假”時，選擇輸輸入“gg”，即即(c66 ANND (NOTT c33)也也是“假假”。 - 重構(gòu)構(gòu)轉(zhuǎn)換將將選中的的復(fù)用器器進一步步向復(fù)用用器樹頂頂端移動動。因此

17、此，不斷斷重復(fù)重重構(gòu)轉(zhuǎn)換換，可以以將任意意位置的的復(fù)用器器向頂端端移動。- 4.33 均衡衡 - 壓縮通通過轉(zhuǎn)換換2:11復(fù)用器器三聯(lián)，能夠減減少實現(xiàn)現(xiàn)復(fù)用器器總線所所需的44-LUUT數(shù)量量。但是是，如果果不進行行復(fù)用器器樹重構(gòu)構(gòu)，有些些結(jié)構(gòu)是是不可能能得到最最佳三聯(lián)聯(lián)分組的的。例如如，無法法將圖110中所所有的22:1復(fù)復(fù)用器進進行分組組，這是是因為每每一種可可能的分分組都將將會剩余余一個22:1復(fù)復(fù)用器而而無法處處理。 - 均衡的的目的在在于通過過最少的的重構(gòu)得得到最佳佳的壓縮縮。對于于圖100的例子子，可以以采用圖圖11所所示的方方法，得得到兩組組2:11復(fù)用器器三聯(lián)。- 均衡算算法由

18、圖圖12的的遞歸定定義。由由首復(fù)用用器開始始，算法法首先均均衡復(fù)用用器樹左左面和右右面數(shù)據(jù)據(jù)輸入。均衡返返回還沒沒有連接接為三聯(lián)聯(lián)的2:1復(fù)用用器的數(shù)數(shù)量。均均衡確保保形成盡盡可能多多的三聯(lián)聯(lián)，這樣樣只會剩剩余一個個或者兩兩個2:1復(fù)用用器，甚甚至沒有有剩余。- 均衡中中的任何何階段，都需要要對15個22:1復(fù)復(fù)用器進進行均衡衡（從左左側(cè)分支支開始最最多兩個個，從右右側(cè)分支支開始為為兩個，還要算算上當(dāng)前前的2:1復(fù)用用器本身身）。11或2個個復(fù)用器器不會形形成更多多的三聯(lián)聯(lián)，而33個復(fù)用用器總是是能夠形形成三聯(lián)聯(lián)。4或或5個復(fù)復(fù)用器則則需要進進行重構(gòu)構(gòu)，以免免剩余無無法處理理的復(fù)用用器，這這種

19、重構(gòu)構(gòu)方法在在圖133和圖114中示示出。 圖10 復(fù)用器器樹次優(yōu)優(yōu)壓縮的的例子 圖111 由均均衡未完完善壓縮縮 圖112 均均衡算法法 圖 13重重構(gòu)4個個復(fù)用器器實現(xiàn)均均衡 圖圖14 重構(gòu)55個復(fù)用用器實現(xiàn)現(xiàn)均衡 5. 算算法總結(jié)結(jié) - 本文引引入了復(fù)復(fù)用器樹樹總線概概念，描描述了可可用來提提高壓縮縮性能的的均衡方方法，壓壓縮以效效率更高高的4:1復(fù)用用器來替替代2:1復(fù)用用器三聯(lián)聯(lián)。圖115顯示示了全部部復(fù)用器器重構(gòu)算算法。 - 復(fù)用器器重構(gòu)算算法性能能依賴于于對較大大復(fù)用器器樹總線線的識別別。由于于復(fù)用器器重構(gòu)算算法在整整個總線線上分擔(dān)擔(dān)控制邏邏輯，因因此，總總線越寬寬，壓縮縮的效果

20、果就越明明顯。優(yōu)優(yōu)化會減減小復(fù)用用器樹間間的相似似性，從從而減小小所尋找找的總線線寬度，因此在在復(fù)用器器重構(gòu)之之前，應(yīng)應(yīng)盡量避避免優(yōu)化化。- 復(fù)用器器重構(gòu)以以分解大大的復(fù)用用器為22:1復(fù)復(fù)用器開開始。設(shè)設(shè)計中所所有2:1復(fù)用用器都用用于形成成4.11節(jié)所描描述的復(fù)復(fù)用器樹樹。結(jié)構(gòu)構(gòu)相似的的復(fù)用器器樹然后后合并形形成4.1節(jié)中中的總線線結(jié)構(gòu)。- 算法的的主要部部分依次次優(yōu)化每每一個總總線。均均衡將22:1復(fù)復(fù)用器重重新排列列為三聯(lián)聯(lián)，這樣樣在壓縮縮階段，每個三三聯(lián)能夠夠重新編編碼為效效率更高高的4:1復(fù)用用器。 圖16 復(fù)用器器重構(gòu)基基準(zhǔn)測試試結(jié)果 6. 結(jié)結(jié)果 - 本文所所闡述的的算法已已經(jīng)

21、集成成到Allterra QQuarrtuss III 4.2綜合合軟件中中。圖116顯示示1200個真實實用戶設(shè)設(shè)計中，Altteraa基準(zhǔn)測測試的面面積減小小結(jié)果。 - 結(jié)果表表明，一一小部分分設(shè)計所所需的LLUT數(shù)數(shù)量減小小了200%，超超過四成成的設(shè)計計面積減減小了55%以上上。所有有設(shè)計面面積平均均減小了了4.22%。 - 據(jù)估算算，面積積減少平平均4.2%意意味著復(fù)復(fù)用器平平均減少少了177%。 - 復(fù)用器器重構(gòu)主主要集中中在減小小面積上上（例如如，減少少所需44-LUUT的數(shù)數(shù)量），而且對對電路速速率影響響不大，電路平平均速率率僅降低低1%。 7. 結(jié)結(jié)論 - 本文闡闡述了復(fù)復(fù)用

22、器重重構(gòu)算法法，該算算法能夠夠?qū)⒃O(shè)計計中實現(xiàn)現(xiàn)復(fù)用器器所需的的4-LLUT數(shù)數(shù)量平均均減少117%。 - 復(fù)用器器重構(gòu)算算法的關(guān)關(guān)鍵在于于優(yōu)化復(fù)復(fù)用器總總線。即即使附加加了控制制邏輯，新優(yōu)化化算法仍仍能夠減減小總線線上每個個比特位位的面積積。這是是由于控控制邏輯輯可以由由總線共共享，其其面積代代價可以以抵消。 - 壓縮將將2:11復(fù)用器器三聯(lián)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為有有效的44:1復(fù)復(fù)用器。盡管可可能需要要附加LLUT對對4:11復(fù)用器器控制線線進行重重新編碼碼，這種種代價可可以通過過采用復(fù)復(fù)用器總總線整體體壓縮方方法來抵抵消。此此外，通通過構(gòu)建建最大的的復(fù)用器器樹，可可對大量量的2:1復(fù)用用器三聯(lián)聯(lián)進行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。- 本文還還引入了了能夠提提高壓縮縮算法效效率的均均衡方法法。本文文描述了了面向基基于4-LUTT的FPPGA算算法，例例如Allterra SStraatixx I和和Cycclonne器件件。新的的FPGGA體系系結(jié)構(gòu)可可使用不不同大小小的查找找表（如如Strratiix III體系系結(jié)構(gòu)能能夠采用用4、55、6輸輸入LUUT）?？刹捎糜帽疚年U闡述的方方法來進進一步減減小這些些體系結(jié)結(jié)構(gòu)的面面積。 參考文獻獻 1 A Higgh PPerfformmancce 332-bbit AL