j基于FPGA EP2S60的SoPC系統設計的綜合優化方案

為了提高設計性能(有時甚至只是為了達到設計要求)，對所設計的SOPC系統進行綜合優化是非常必要的。論文結合具體工程，以Altera公司的FPGA EP2S60為例，探討了SOPC系統設計的綜合優化方法。

1 綜合優化設計的一般流程和方法

在FPGA處理器沒有選定前，可以進行SOPC系統的開發。根據編譯和優化的效果指導處理器芯片的選型，選擇合適的處理器型號、速度等級和封裝。當硬件系統設計好后，就只能在已選擇好的處理器芯片上進行優化。一般的優化方法有Verilog程序代碼優化、編譯和布線優化設置，在添加Nios II系統后也涉及對Nios II系統的優化。在設計過程中應遵循模塊化設計思想，如果前面的優化都不能達到滿意的效果，則需要使用邏輯鎖定技術和應用DSE算法進行優化。

2 綜合優化設計策略

2.1Quartus II軟件優化設置

在進行綜合前，對軟件編譯和布線進行優化設置是優化設計的一個重要步驟，不同設置對綜合布線的結果有較大影響。幾個比較重要的設置包括時間要求設置、編譯器設置，最重要的是布線器的設置，如圖1所示。



設計中設置對所有路徑進行優化，并設置布線器盡最大努力滿足設計的時序要求。在進一步的布線器參數設置中，選擇全局時鐘有效，這樣雖然可能增加實際布線后延時，但是可以減少時鐘偏斜，為系統整體時序設計的穩定性提供保障，同時也可以增強網絡的驅動能力。

另外，中心處理器EP2S60支持多種電平模式，而各個bank支持的模式不盡相同。在最初的硬件電路設計中已經考慮到這一點，將外接PCI接口的引腳分配在器件的bank7和bank8上，這樣可以充分利用器件設計好的優化路徑，達到比較好的設計性能。在引腳分配中，需要對引腳的特性進行更詳細的設置，具體應根據實際系統引腳分配的功能要求選擇相應的電平標準，如PCI核接口選擇3.3 V PCI電平標準。

2.2 程序代碼的優化設計

Verilog語言是一種類C語言的硬件描述語言，在設計中首先要對所需實現的硬件電路結構和連接都十分清晰，然后再用適當的語言進行描述。在具體實現上，應綜合考慮以下基本設計原則：

①面積和速度的平衡互換原則。如設計時序余量大，可以通過功能模塊復用來減少消耗的芯片面積；如設計時序要求高，可采用“串并轉換”和“乒乓操作”以面積換速度。

②硬件原則。從硬件角度進行程序開發。

③系統原則。以系統的眼光進行模塊劃分和各模塊任務的分配。

④同步設計原則。同步設計易于提高設計的頻率和設計的穩定性，當前的優化工具也多是針對同步時序的優化。

硬件程序設計的另一個重要方面是狀態機的設計。課題中涉及4個狀態機的設計。遵循好的狀態機設計原則也是硬件程序開發中不可忽視的一方面。

狀態機編碼方式的選擇：由于FPGA中提供較多的觸發器資源，FPGA設計中多采用熱鍵編碼方式，綜合器的綜合約束屬性界面下可以方便地改變狀態編碼方式。

初始化狀態和默認狀態：為避免上電不能正確進入初始狀態，設計中初始狀態編碼為全零；同時為保證邏輯不會陷入死循環，設計語句中應注意完備化設計。

采用兩段式狀態機設計方法：將狀態轉移單獨寫成一個模塊，將狀態的操作和判斷寫到另一個模塊中，這樣可以將同步時序和組合邏輯分別放置于不同的邏輯塊，利于綜合器優化代碼和布線器實現設計。

2.3 片上存儲器分配策略

在Stratix II系列的FPGA中包含3種不同類型的內部存儲塊：M-RAM塊、M512 RAM塊和M4K RAM塊。設計中，應用不同的存儲塊設計不同的存儲器，可以達到較優化的系統性能。

M-RAM完全支持雙端口模式，由512 Kb RAM加上校驗位組成，主要用于大數據包的緩存，如以太網幀、IP包等大到幾KB的數據包，以及視頻圖像幀的緩存和NiosII嵌人式軟核的存儲；M512 RAM塊由512位模塊加上校驗的RAM組成，主要用于接口速率適配的內部FIF0、移位寄存器和時鐘域隔離等；M4K塊由4 096×1位到128×36位的4 Kb模塊加校驗組成，主要用于小型數據塊存儲和多通道I／O協議中，另外M4K RAM也完全支持雙端口模式。

設計中采用的中心處理器FPGA芯片EP2S60包含豐富的存儲器邏輯資源，和上一代Stratix系列相比，運行速度提高了50％，邏輯容量增加了1倍，具有達180 Kb的等效邏輯元件和9 Mb的RAM，大大增加了集成度，為高度集成的應用提供了實現基礎，而成本比上一代還要低。設計采用的EP2S60器件邏輯資源如表1所列。