1復(fù)用器重構(gòu)降低FPGA本錢摘要：本文介紹了一種新的復(fù)用器重構(gòu)算法，能夠降低FPGA實(shí)際設(shè)計(jì)20％的本錢。該算法通過減少?gòu)?fù)用器所需查找表〔LUT〕的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。算法以效率更高的4:1復(fù)用器替代2:1復(fù)用器樹。算法性能的關(guān)鍵在于尋找總線上出現(xiàn)的復(fù)用器數(shù)量。新的優(yōu)化方法占用一定的邏輯，這些邏輯由總線進(jìn)行分擔(dān)，從而減少了總線上每個(gè)比特位所需的邏輯。〔本站編者：該算法已經(jīng)集成在QuartusII4.2軟件中，使用QuartusIi進(jìn)行綜合HDL語(yǔ)言時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用該算法進(jìn)行綜合，本文介紹該算法的詳情，本文適合希望深入了解算法的用戶閱讀〕關(guān)鍵詞：FPGA；復(fù)用器；重構(gòu)；重新編碼；總線；邏輯優(yōu)化；綜合1.引言---復(fù)用器是數(shù)據(jù)通道常用的構(gòu)建模塊，被廣泛應(yīng)用在處理器[1]、處理器總線、網(wǎng)絡(luò)交換，甚至是資源共享的DSP設(shè)計(jì)中。據(jù)估計(jì)，復(fù)用器一般要占用一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)[2]25%以上的面積。因此，優(yōu)化FPGA設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于怎樣優(yōu)化復(fù)用器。---本文介紹了一種新的復(fù)用器重構(gòu)算法，該算法減小了復(fù)用器在基于4輸入查找表〔4-LUT〕FPGA體系結(jié)構(gòu)中所占用的面積。基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果說明復(fù)用器平均減少了17%，在一些設(shè)計(jì)中，4-LUT整體減少20%。---2.1節(jié)闡述了復(fù)用器是如何由行為級(jí)VHDL[4]或Verilog[5]代碼產(chǎn)生的，2.2和2.3節(jié)闡述復(fù)用器樹和復(fù)用器總線在設(shè)計(jì)中是怎樣生成的。2.4節(jié)說明這些結(jié)構(gòu)怎樣由4-LUT實(shí)現(xiàn)，闡述如何采用兩個(gè)4-LUT有效實(shí)現(xiàn)一個(gè)4:1二進(jìn)制復(fù)用器。---第3節(jié)介紹了一種叫做壓縮的新技術(shù)，該技術(shù)附加一些控制邏輯，將多個(gè)2:1復(fù)用器重新組合為有效的4:1復(fù)用器，從而減少了為總線上每一個(gè)比特位實(shí)現(xiàn)復(fù)用器所需要的4-LUT數(shù)量，所附加的控制邏輯代價(jià)由整個(gè)總線來分擔(dān)。優(yōu)化復(fù)用器總線是復(fù)用器重構(gòu)算法的核心。---4.1節(jié)闡述復(fù)用器重構(gòu)算法如何構(gòu)建設(shè)計(jì)中的復(fù)用器樹總線。4.2節(jié)的重構(gòu)方法用于執(zhí)行4.3節(jié)中定義的均衡算法。均衡增加了由壓縮生成的有效4:1復(fù)用器的數(shù)量。---第5節(jié)總結(jié)了在AlteraQuartusII集成綜合中運(yùn)行的整個(gè)算法。第6節(jié)列出了來自120個(gè)Altera真實(shí)用戶設(shè)計(jì)實(shí)例的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試說明面積減少超過20%，平均節(jié)省了4.2%。2.背景知識(shí)---2.1復(fù)用器在設(shè)計(jì)中是怎樣實(shí)現(xiàn)的---行為級(jí)HDL設(shè)計(jì)中的任何條件代碼通常會(huì)綜合為復(fù)用器。本節(jié)闡述兩個(gè)最常用的復(fù)用器生成代碼實(shí)例。

---圖1是VHDL的case聲明及其2:1復(fù)用器樹的實(shí)現(xiàn)。采用Verilogcase聲明的“parallelcase〞指令[5]可產(chǎn)生相似的結(jié)果。圖1---注意，并不是所有的case聲明都能將可能的事件描述清楚，需要依靠“default〞或者“others〞條件來進(jìn)一步說明。在這些情況下，可以繼續(xù)將case聲明表征為2:1復(fù)用器樹，但是這種樹結(jié)構(gòu)可能達(dá)不到平衡。---圖2顯示了“if-then-else〞聲明是怎樣產(chǎn)生一個(gè)2:1復(fù)用器鏈的。Verilog的“?:〞和非平行cases可同樣產(chǎn)生相似的結(jié)構(gòu)。注意，復(fù)用器鏈確保如果第一個(gè)if條件為“真〞，將選擇“a〞數(shù)據(jù)輸入，而復(fù)用器其他局部將被忽略。凱--豐-始本文瘋闡述召的復(fù)棉用器秩重構(gòu)控算法乳應(yīng)用撫于2談:1舊復(fù)用典器。郊綜合患工具分由行夾為級(jí)將代碼刃開始覺通常閱會(huì)生超成較允大的理復(fù)用萍器。于較大肺的復(fù)杰用器半總是坊被分樹解為儲(chǔ)2:階1復(fù)塔用器舉樹，李如何麻實(shí)現(xiàn)雜這種紡分解粗已經(jīng)叛超出慨本文者討論烈范圍獨(dú)。

聽圖2嶼i寺f-泊th塵en閣-e接ls止e聲喇明生假成的擦邏輯那

院圖3洞H曾DL鉆生成鑼的復(fù)彎用器受材

柴圖4敗生閥成復(fù)糊用器扒總線卵吹--旨-舅2.晃2盒復(fù)用宗器樹惰材--迷-須設(shè)計(jì)問中復(fù)穿用器勝之間探的饋載入是恒常見甩的現(xiàn)蠅象。巾例如捏，在紛一段煙HD裹L代作碼中陣，如兩下面伸的圖黑3所懇示，獨(dú)if臘-t嗎he秒n-獲el紹se顫聲明蔽中含悅有c產(chǎn)as迷e聲刪明就傍會(huì)產(chǎn)撐生這感種現(xiàn)坊象。倆

清--賤-抹在復(fù)幻用器脂重構(gòu)秒算法尊中，絹?zhàn)R別愧出較豎大的胃復(fù)用錦器樹招對(duì)于薦盡可攪能減蹦少面勻積是顯非常委重要炎的。仁每-內(nèi)--嘩2糊.3課復(fù)鄰用器郵總線償沉--認(rèn)-夏V匯HD丸L信臉號(hào)或女Ve鴿ri勞lo起g線坊寬通助常會(huì)工超過威一個(gè)心比特團(tuán)位。籃當(dāng)采告用i攔f-脹th方en稱-e革ls窮e和炸ca毅se廣聲明叼時(shí)，封將會(huì)戴生成揀大量熟具有鞋不同厲數(shù)據(jù)淡輸入承的相依同復(fù)耕用器私樹，瘋圖4輔是一膽個(gè)實(shí)訴例。辣一組稿具有尿相同劍結(jié)構(gòu)劫的復(fù)貿(mào)用器忽稱為幼復(fù)用冤器樹掩總線燈。飾--輛-孟本文瞎闡述燦的復(fù)扒用器梨重構(gòu)謊技術(shù)婆采用漸了新野的對(duì)本整個(gè)弟復(fù)用牧器總勞線進(jìn)樣行優(yōu)土化的尋方法環(huán)，它故通過排由4炭.1調(diào)節(jié)中揪進(jìn)一恢步闡找述的姑總線醉識(shí)別百和形叔成技籠術(shù)來豆實(shí)現(xiàn)燈。訪--謝-譽(yù)2.氧4剛復(fù)用雷器代垃價(jià)鞋--舉-授在許字多情攀況下校，每共個(gè)2罪:1拐復(fù)用鄰器都題需要耐一個(gè)遲單獨(dú)疼的4倦-L密UT拍。這匙樣，畫圖1疊和圖趣2中慘的復(fù)嶺用器括結(jié)構(gòu)麥都需賓要三許個(gè)4李-L錢UT午。盡望管這水些結(jié)添構(gòu)控冬制編株碼不仿同，校但是明它們仔都具毅有4態(tài)個(gè)不檔同的鼻數(shù)據(jù)呼輸入還，因往此可哭以當(dāng)燕作4炮:1邊復(fù)用下器。根本節(jié)呢闡述亭如何億實(shí)現(xiàn)洗只需匙要兩肚個(gè)4誤-L另UT險(xiǎn)的4盼:1厚復(fù)用困器。胸水--先-條圖5負(fù)是控忙制輸朝入S吩0低罵電平助時(shí)，段一個(gè)奴有效大的4蠢:1摸復(fù)用朱器是圓如何墨工作基的。時(shí)4:當(dāng)1復(fù)角用器伐由兩良個(gè)鏈忠接在墓一起拌的4噸-L具UT宿〔陰弓影框存所示貝〕構(gòu)喘成。臘每個(gè)隱4-女LU課T被圓設(shè)置禮為含脖有陰第影框點(diǎn)中的電邏輯況功能景。如撕白框室所示焰，復(fù)水用器肥含有拿四個(gè)型輸入脊——沖a、耀b、量c和朵d，察以及蔥兩個(gè)初控制盆輸入顏——橫S0垃和S攪1。墻側(cè)圖5旬掠--成-牽S0漢低電免平時(shí)援，低病位控蜻制比景特S魯1在辟輸入樓c和雙d中料進(jìn)行視選擇炭，其捆結(jié)果孫通過蜻第二擦個(gè)4掛-L另UT壩，將校a或捷者b漿輸入敵旁路阿。蚊劃圖6另繭--芒-吵圖6置是控仆制輸疼入S備0高儀電平即時(shí)，止一個(gè)謠有效帽的4句:1遺復(fù)用屬器是虜如何閘工作業(yè)的。動(dòng)低位壺控制幟比特慨S1扇旁路球c和挽d輸轉(zhuǎn)入，臣直接憂進(jìn)入壞第二前個(gè)4博-L初UT桑，對(duì)燦a或拖者b狡輸入陪進(jìn)行遭選擇椒，其希結(jié)果嘗成為劈第二頃個(gè)4膚-L唐UT揭的輸務(wù)出。執(zhí)鹿--繭-暖第3興節(jié)描親述的袖壓縮頂算法度采用野這種吃有效廉的4鉗:1勝?gòu)?fù)用偷器，稿重新設(shè)實(shí)現(xiàn)慘復(fù)用鐮器結(jié)緩構(gòu)，暖到達(dá)伍了減乖小面爺積的姑目的瞧。慈3.寺壓芬縮爹--絲-德壓縮裳是將糊低效因的4酒:1宰復(fù)用半器實(shí)木現(xiàn)轉(zhuǎn)份換為眨高效鬼實(shí)現(xiàn)院的過臺(tái)程。秋復(fù)用壇器重歲構(gòu)算憂法的暴面積壩節(jié)省雄由壓田縮實(shí)另現(xiàn)。構(gòu)但是災(zāi)，在謀不同財(cái)?shù)膹?fù)剝用器在表征腎中進(jìn)加行轉(zhuǎn)滔換，附通常僅需要悉附加紙控制東邏輯蘇。實(shí)致際上恥，由相于附舊加邏律輯結(jié)林構(gòu)抵薪消了露使用盲高效座復(fù)用珍器結(jié)錄構(gòu)的栽優(yōu)勢(shì)身，這裙種轉(zhuǎn)犁換很剝少能裙夠產(chǎn)飲生真嚼正的階面積渠節(jié)省蘇。而寺復(fù)用決器重爛構(gòu)算倆法采挑用新泉穎的飄將整宿個(gè)復(fù)疑用器留總線悠進(jìn)行娃轉(zhuǎn)換踐的方鮮法，要這樣算，總岸線上杯的多牲個(gè)復(fù)保用器咳可以雅共享玩控制鋸邏輯特，因奮此，鋤改善爆后的蝦復(fù)用呈器結(jié)蛇構(gòu)優(yōu)鞋勢(shì)可歲通過的總線股上的恢每個(gè)練復(fù)用梯器來忍實(shí)現(xiàn)怎。圖7曲--行-乘圖7春顯示地了如查何將亞三個(gè)折2:舍1復(fù)氣用器棒組成蛋的優(yōu)但先級(jí)像鏈轉(zhuǎn)防換為彎一個(gè)錢4:列1二勉進(jìn)制同復(fù)用認(rèn)器。鼠假設(shè)遍控制區(qū)輸入建由不筋相關(guān)喚的邏摘輯饋慨入，量那么縫這種麻轉(zhuǎn)換脫至多顆需要辣兩個(gè)劃額外么的4銷-L仰UT德控制扣邏輯宜。如攔果最賊初的暈復(fù)用千器至友少占坡用三櫻個(gè)4姑-L幅UT拜，而鈴4:堡1復(fù)概用器甲只需妨要兩息個(gè)即盯可實(shí)溝現(xiàn)，錄那么串這種餓轉(zhuǎn)換啦將節(jié)閱省3受寬度搭或者沉更寬壩總線回的面翠積。瀉圖8晌--差-壺圖8崗顯示熟了如套何將崇一組蠅排列扛成樹這的2包:1卻復(fù)用邊器轉(zhuǎn)麗換為鳥一個(gè)才4:年1復(fù)攤用器嫩。在島這種進(jìn)情況朵下，父通過血仔細(xì)任為4管:1眠復(fù)用怒器選漿擇編尺碼方皮式，粒使S通0在房〔A藏、B萌〕和曲〔C棕、D臭〕之怪間進(jìn)雹行選橡擇，額限制窄附加今控制寨邏輯倆，只奸參加五最多胡一個(gè)嘴4-咐LU封T。琴此時(shí)捆，這樣種轉(zhuǎn)址換將斜節(jié)省毛2寬速度或巾者更惡寬總暗線的仗面積嫩。搏--攝-膏一般貫來講倡，任好何的寺三個(gè)臺(tái)2:衣1復(fù)頂用器案組都孝可以掙通過冠圖7座或圖胸8的羊方式兩轉(zhuǎn)換乘為一園個(gè)4汗:1勾復(fù)用趕器。音但是根，這縫兩種稿轉(zhuǎn)換口必須謠在寬嶄度大熔于2濕的復(fù)資用器革總線際上進(jìn)情行，夏以減尖小所逢需4款-L盼UT頓的數(shù)淋量，景實(shí)際借上，鑼如果落這兩載種轉(zhuǎn)眠換不覽在總街線上榜進(jìn)行圍，將救沒有禾意義偉。洪--筆-傘總線隸上2下:1隆復(fù)用出器三稼聯(lián)重墨新編府碼是先復(fù)用芹器重注構(gòu)算蘿法的芬核心甩。啟第4睛節(jié)將鉛闡述套形成航數(shù)量必最多凝三聯(lián)潑的新認(rèn)方法疾。逗

肉4.沒復(fù)績(jī)用器毀總線脫秀4.奸1忙“庫(kù)誤〞的防構(gòu)造做末--銀-翻壓縮王減小化了其親所編蚊碼的修每一參個(gè)2釋:1扒復(fù)用蝶器三辭聯(lián)面劃積，瞞因此升，壓楚縮應(yīng)選用在勉較大逃的復(fù)塵用器檔樹上嫂最有啦效?；捅竟?jié)恐闡述凱大型盯復(fù)用槳器樹漿是如用何構(gòu)粒建的薯。設(shè)昨計(jì)中扭所有分的總解線都晚將被缸存儲(chǔ)令在一撈種稱賺為“都庫(kù)〞旗的數(shù)爪據(jù)結(jié)寸構(gòu)中軋。架--嚴(yán)-灶復(fù)用金器樹恒采用蝕下面損的方雪法構(gòu)怎建。辟設(shè)計(jì)鳥中所該有2搭:1濃復(fù)用凳器以任反向馳深度溉順序樂排列牧。這新意味氧著那鳳些離危存放現(xiàn)器或是者輸醋出引艦?zāi)_最芳近的篇復(fù)用欠器將拔排在宜列表啄前面曾。然阿后從唉頭至兄尾掃糖描列俯表，劃尋找沖每一爪個(gè)2熄:1覺復(fù)用笛器，持如果庸其輸豬出僅攝與另肺一個(gè)足2:耀1復(fù)賤用器蔬相連股，那么洞將該躲復(fù)用牽器和庭與其頁(yè)相連銀的復(fù)路用器染一起褲加到效復(fù)用達(dá)器樹紀(jì)中。猶否那么陶，將亡此2破:1只復(fù)用斥器作塌為一謙個(gè)新嚼復(fù)用橋器樹勸的首棒復(fù)用臂器。生以此構(gòu)方式穴來構(gòu)修建的觸復(fù)用蹤器樹娃含有誓最大頭數(shù)量籃的復(fù)值用器難。催--辣-腐如果封復(fù)用勻器樹首中復(fù)嘗用器劣的所孝有數(shù)耀據(jù)輸賽入均啟不是呼由同括一個(gè)蜂樹中光其他美的2搜:1冶復(fù)用經(jīng)器饋愁入，牧那么稱閘此復(fù)顏用器植為初寧級(jí)輸徒入〔屆對(duì)整陽(yáng)個(gè)樹驗(yàn)而言甘〕。助取--硬-通一旦墨所有吧的復(fù)姥用器堪樹已泥經(jīng)形棍成，城那么將曾其合校并成蝶總線芽。如軟果兩悲個(gè)復(fù)霉用器兇樹要駛并入恰同一某個(gè)總吵線，訊它們學(xué)必須托具有鐘相同贊的結(jié)此構(gòu)，惱即2音:1辟?gòu)?fù)用印器的待排列讓相同眨，并臟且都舍有完書全一雖致的牽控制止輸入廁。這為可以樂通過櫻根據(jù)火復(fù)用柿器結(jié)厲構(gòu)，張對(duì)所低有復(fù)零用器窩樹列侵表排京序來糟實(shí)現(xiàn)喉，在視列表認(rèn)中將井結(jié)構(gòu)餡相同馬的樹遺靠近謊排列愉?？倻喚€可森直接疲由結(jié)誠(chéng)構(gòu)相靈同的澇樹構(gòu)方成。釋酷--嗎-噸通過辛規(guī)那么配選取必來實(shí)駝現(xiàn)總少線寬科度最韻大化鏈。寬蹈總線洲可以敲將由薪壓縮印引入傷的控得制邏頃輯開端銷降沾低到腰最小鍵。居--僑-樸4.竟2耍重構(gòu)皂薪--癢-由4.逃3節(jié)另描述緣均衡集方法疫，該免方法將能夠磨使壓榮縮得評(píng)到的涂面積霜減小再最大興化。世均衡賄建立民在重藝構(gòu)的煩根底素上，釀其概拍念由蓋本節(jié)仿給出兩。查--旨-啄通過鹽2:糊1復(fù)怖用器珠所饋斬入的復(fù)一個(gè)狡2:陜1復(fù)池用器他，重廈構(gòu)移修動(dòng)該籌復(fù)用吹器及相其一炒個(gè)輸昨入。瓣圖9站顯示錦了陰桑影復(fù)湖用器渡與其筒“f海〞輸紡入的視重構(gòu)粱。為匯保持積原始隨復(fù)用夕器總懂線的佛功能仰，需圣要附瓜加一疤些控鬼制邏拆輯。川這些屢控制擇邏輯毀同樣襪可以喇由總提線上鹿的每陵一個(gè)棕復(fù)用烈器樹造來分臨擔(dān)。塵圖9賽--題-蔬圖9巾中，競(jìng)重新哨編碼綁邏輯繼(c頑6托AN議D小(N詢OT康c躬3)泛)必對(duì)須確槽保當(dāng)?shù)馽1薪、c額3為退“假凱〞而倆c6房為“陰真〞楊時(shí)，閉選擇薦輸入憶“f秒〞〔飼與轉(zhuǎn)爬換前大的情姨況一忙致〕李。同雀樣，坡當(dāng)c悔1、納c3銜、c親6為窗“假筒〞時(shí)貧，選兵擇輸蘿入“仇g〞歉，即果(c始6腐AN控D停(N復(fù)OT塵c并3)累)也額是“傭假〞碌。

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