基于FPGA EP2S60的SoPC系统设计的综合优化方案

为了提高设计性能(有时甚至只是为了达到设计要求)，对所设计的SOPC系统进行综合优化是非常必要的。论文结合具体工程，以Altera公司的FPGA EP2S60为例，探讨了SOPC系统设计的综合优化方法。

1 综合优化设计的一般流程和方法

在FPGA处理器没有选定前，可以进行SOPC系统的开发。根据编译和优化的效果指导处理器芯片的选型，选择合适的处理器型号、速度等级和封装。当硬件系统设计好后，就只能在已选择好的处理器芯片上进行优化。一般的优化方法有Verilog程序代码优化、编译和布线优化设置，在添加Nios II系统后也涉及对Nios II系统的优化。在设计过程中应遵循模块化设计思想，如果前面的优化都不能达到满意的效果，则需要使用逻辑锁定技术和应用DSE算法进行优化。

2 综合优化设计策略

2.1 Quartus II软件优化设置

在进行综合前，对软件编译和布线进行优化设置是优化设计的一个重要步骤，不同设置对综合布线的结果有较大影响。几个比较重要的设置包括时间要求设置、编译器设置，最重要的是布线器的设置，如图1所示。

设计中设置对所有路径进行优化，并设置布线器尽最大努力满足设计的时序要求。在进一步的布线器参数设置中，选择全局时钟有效，这样虽然可能增加实际布线后延时，但是可以减少时钟偏斜，为系统整体时序设计的稳定性提供保障，同时也可以增强网络的驱动能力。

另外，中心处理器EP2S60支持多种电平模式，而各个bank支持的模式不尽相同。在最初的硬件电路设计中已经考虑到这一点，将外接PCI接口的引脚分配在器件的bank7和bank8上，这样可以充分利用器件设计好的优化路径，达到比较好的设计性能。在引脚分配中，需要对引脚的特性进行更详细的设置，具体应根据实际系统引脚分配的功能要求选择相应的电平标准，如PCI核接口选择3.3 V PCI电平标准。

2.2 程序代码的优化设计

Verilog语言是一种类C语言的硬件描述语言，在设计中首先要对所需实现的硬件电路结构和连接都十分清晰，然后再用适当的语言进行描述。在具体实现上，应综合考虑以下基本设计原则：

①面积和速度的平衡互换原则。如设计时序余量大，可以通过功能模块复用来减少消耗的芯片面积；如设计时序要求高，可采用"串并转换"和"乒乓操作"以面积换速度。

②硬件原则。从硬件角度进行程序开发。

③系统原则。以系统的眼光进行模块划分和各模块任务的分配。

④同步设计原则。同步设计易于提高设计的频率和设计的稳定性，当前的优化工具也多是针对同步时序的优化。

硬件程序设计的另一个重要方面是状态机的设计。课题中涉及4个状态机的设计。遵循好的状态机设计原则也是硬件程序开发中不可忽视的一方面。

状态机编码方式的选择：由于FPGA中提供较多的触发器资源，FPGA设计中多采用热键编码方式，综合器的综合约束属性界面下可以方便地改变状态编码方式。

初始化状态和默认状态：为避免上电不能正确进入初始状态，设计中初始状态编码为全零；同时为保证逻辑不会陷入死循环，设计语句中应注意完备化设计。

采用两段式状态机设计方法：将状态转移单独写成一个模块，将状态的操作和判断写到另一个模块中，这样可以将同步时序和组合逻辑分别放置于不同的逻辑块，利于综合器优化代码和布线器实现设计。

2.3 片上存储器分配策略

在Stratix II系列的FPGA中包含3种不同类型的内部存储块：M-RAM块、M512 RAM块和M4K RAM块。设计中，应用不同的存储块设计不同的存储器，可以达到较优化的系统性能。

M-RAM完全支持双端口模式，由512 Kb RAM加上校验位组成，主要用于大数据包的缓存，如以太网帧、IP包等大到几KB的数据包，以及视频图像帧的缓存和NiosII嵌人式软核的存储；M512 RAM块由512位模块加上校验的RAM组成，主要用于接口速率适配的内部FIF0、移位寄存器和时钟域隔离等；M4K块由4 096×1位到128×36位的4 Kb模块加校验组成，主要用于小型数据块存储和多通道I／O协议中，另外M4K RAM也完全支持双端口模式。

设计中采用的中心处理器FPGA芯片EP2S60包含丰富的存储器逻辑资源，和上一代Stratix系列相比，运行速度提高了50％，逻辑容量增加了1倍，具有达180 Kb的等效逻辑元件和9 Mb的RAM，大大增加了集成度，为高度集成的应用提供了实现基础，而成本比上一代还要低。设计采用的EP2S60器件逻辑资源如表1所列。

根据器件内3种存储器的各自特点，结合片内的逻辑资源分布，在片内设计了5个同步FIFO，其中4个长度32位、存储深度256字的FIFO作为64位PCI传输的缓存，另一个长度32位，存储深度设计为2 048字。M512存储块主要用于内部FIFO的设计，在配置片内FIFO时选择M512存储块类型。1个32位长、存储深度256字的FIFO占用的逻辑资源为30个LUT单元、15个M512存储块、134个REG单元。4个这样的FIFO占用60个M512存储块、120个LUT单元。536个REG单元。而1个32位长、2 048字存储深度的FIFO占用的逻辑资源为114个M512存储块、63个LUT单元、128个REG单元。这样，系统设计中的FIFO总共占用174个M512存储块，相比表1中EP2S60器件329个M512存储块，占用率为52.9％，完全可以在片内设计实现。

作者：杨进 邱兆坤 杨德贵 来源：自动化在线

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