一文解析FPGA的片上资源使用情况（组合逻辑及时序逻辑）

一文解析FPGA的片上资源使用情况（组合逻辑及时序逻辑）FPGA简介FPGA（Field－ProgrammableGateArray），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：Totallogicelements24071/24624（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。Totalcombinationalfunctions21612/24624（88%）：该芯片的24624个LE资源中，88%用于实现组合逻辑。Dedicatedlogicregisters8858/24624（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Totalcombinationalfunctions与Dedicatedlogicregisters之和（30470）大于Totallogicelements（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——FitterResourceUsageSummary：这份报告包含很多信息，在这里我们只需要关心Totallogicelements一项。Totallogicelements24071/24624（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（Combinationalwithnoregister15213），仅用于实现时序逻辑的LE（Registeronly2459），同时用于实现组合逻辑和时序逻辑的LE（Combinationalwitharegister6399）。三、从ResourcePropertyEditor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（LogicElement）的结构和功能。以Altera的CycloneIII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RegisterPacking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（Combinationalwithnoregister）和仅用于实现时序逻辑的LE（Registeronly）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”（Totalcombinationalfunctions=6399+15213=21612）和“全部寄存器”（Dedicatedlogicregisters=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“Totalcombinationalfunctions与Dedicatedlogicregisters之和（30470=（6399+15213）+（6399+2459））大于Totallogicelements（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