FPGA的片上资源使用情况简析

　　FPGA简介
　　FPGA（Field－Programmable Gate Array）， 即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
　　本文主要介绍的是FPGA的片上资源使用情况，分别是从组合逻辑及时序逻辑来详细的分析。
　　解析FPGA的片上资源使用情况
　　如何分析FPGA芯片上的组合逻辑（LUT）和时序逻辑（REG）的利用率。
　　一、如何得到LUT与REG的使用比例
　　我们先看一个FPGA工程的编译结果报告：
　　在这个报告中，我们可以看到如下信息：
　　Total logic elements 24071/24624（98%）： 该芯片中共有24624个LE资源，其中的98%在这个工程的这次编译中得到了使用。
　　Total combinaTIonal funcTIons 21612/24624（88%）： 该芯片的24624个LE资源中，88%用于实现组合逻辑。
　　Dedicated logic registers 8858/24624（36%）： 该芯片的24624个LE资源中，36%用于实现寄存器，即时序逻辑。
　　就是从上述信息中，我得到了组合逻辑与时序逻辑的使用比例——21612/8858 = 2.4:1。
　　二、一份更详细的资源利用率报告
　　在这个报告中，有一点可能会令人困惑：为什么Total combinaTIonal funcTIons与Dedicated logic registers之和（30470）大于Total logic elements（24071），甚至大于该芯片的总资源（24624）。我们再来看一份更详细的资源使用报告——Fitter Resource Usage Summary：
　　这份报告包含很多信息，在这里我们只需要关心Total logic elements一项。Total logic elements 24071/24624（98%）由三种使用情况不同的LE资源组成：仅用于实现组合逻辑的LE（Combinational with no register 15213），仅用于实现时序逻辑的LE（Register only 2459），同时用于实现组合逻辑和时序逻辑的LE（Combinational with a register 6399）。
　　三、从Resource Property Editor看LE的使用情况
　　在进一步分析这些数据之前，我们有必要回顾一下FPGA的基本组成元素LE（Logic Element）的结构和功能。以Altera的Cyclone III系列FPGA芯片为例，其LE内部结构如下图所示：
　　
　　这个LE同时用于实现组合逻辑和时序逻辑，其中蓝色部分为组合逻辑（一个4输入LUT），其中黄色高亮部分为时序逻辑（一个D触发器）。 我们再来看一个更有趣的LE：
　　
　　这个LE也同时用于实现组合逻辑和时序逻辑，与上一幅图不同的地方在于，这里的组合逻辑（4输入LUT）与时序逻辑（REG）并没有连接关系。组合逻辑从COMBOUT直接输出，时序逻辑从REGOUT输出。这种互不相关的组合逻辑与时序逻辑共用同一个LE的情况很特殊，这是采用了Register Packing资源优化技术之后的实现方式。如果没有采用这一资源优化技术，就要用两个LE来分别实现相应的组合逻辑和时序逻辑。
　　明白了上面这两幅图，大家也能由此类推，想象出仅用于实现组合逻辑的LE（Combinational with no register）和仅用于实现时序逻辑的LE（Register only）该是什么样子。
　　四、“数字终于对上了！”
　　我们回到前面关于资源利用率分析的部分。有了上面介绍的知识，大家应该能够把资源利用率报告中三种使用情况不同的LE区分开了。
　　我们把“同时用于实现组合逻辑和时序逻辑的LE（6399）”分别加到“仅用于实现组合逻辑的LE（15213）”和“仅用于实现时序逻辑的LE（2459）”上面，就可以得到“全部组合逻辑”（Total combinational functions = 6399 + 15213 = 21612）和“全部寄存器”（Dedicated logic registers = 6399 + 2459 = 8858）两个数值了。这两个数值就是第一幅图中关于资源利用率的汇总报告结果，它们的比例恰好就是2.4:1。
　　由于6399这个数字被使用了两次，所以我们最初关于“Total combinational functions与Dedicated logic registers之和（30470 = （6399 + 15213） + （6399 + 2459））大于Total logic elements（24071 = 6399 + 15213 + 2459）”的困惑也得到了解答。
　　五、总结
　　由于FPGA设计中用到的组合逻辑与时序逻辑的数量不均衡，部分LE会仅用于实现组合逻辑或时序逻辑；进一步，由于布局位置的限制，单独实现组合逻辑或时序逻辑的两个LE可能不能合并到一个LE中实现。所以，在资源利用率报告中会出现三种使用情况不同的LE。
　　由于过长的组合逻辑链（级联的LUT）会引入较大的延时，而时序逻辑（REG）能够把较长的组合逻辑链分割成较短的组合逻辑链，有效地缩短关键路径和次关键路径的长度，进而提高该FPGA设计的整体时序性能，所以组合逻辑与时序逻辑的使用比例可以作为评价一个FPGA设计时序性能的辅助参数。
　　过于复杂的组合逻辑也会占用多个LE。我们在编写HDL代码的时候，不能单独把减少Register的使用量作为节省资源的手段，而应该兼顾组合逻辑与时序逻辑，根据目标PLD器件的底层结构，编写组合逻辑和时序逻辑比例符合PLD器件资源比例的代码。