李 艷,張東曉,于 芳

(1.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029; 2.北京飄石科技有限公司,北京 100080)

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RTL綜合中FPGA片上RAM工藝映射

李 艷1,張東曉2,于 芳1

(1.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029; 2.北京飄石科技有限公司,北京 100080)

RAM(Random-Access-Memory,隨機(jī)存儲器)是FPGA(Field Programmable Gate Arrays)片上最重要的宏單元之一，RTL(Register-Transfer-Level)綜合對FPGA開發(fā)中RAM的有效利用起至關(guān)重要作用.本文針對RTL綜合中RAM源描述和目標(biāo)結(jié)構(gòu)多樣化帶來的技術(shù)難題，提出了一種RAM工藝映射方法，即建立工藝無關(guān)的RAM統(tǒng)一模型，在模型基礎(chǔ)上通過建模、模式匹配、造價計算、綁定四步實現(xiàn).該方法應(yīng)用于RTL綜合，可以將多種RAM源描述有效地映射到最佳類型和數(shù)量的FPGA片上RAM資源.實驗數(shù)據(jù)表明采用該方法實現(xiàn)的RAM工藝映射效果和主流FPGA綜合工具——Synplify和XST相當(dāng)，該模塊已經(jīng)集成在自主開發(fā)的RTL綜合工具——Hqsyn中并實現(xiàn)商用.

現(xiàn)場可編程門陣列；寄存器傳輸級綜合；片上隨即存儲器；工藝映射

1 引言

FPGA廣泛地應(yīng)用在各種電子系統(tǒng)中，幾乎所有系統(tǒng)均涉及大數(shù)據(jù)量處理和存儲，當(dāng)前主流FPGA廠商如Altera、Xilinx、Lattice等公司的FPGA芯片都內(nèi)嵌片上RAM資源，片上RAM已經(jīng)成為大規(guī)模FPGA至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)[1].FPGA設(shè)計流程包括RTL綜合、布局布線、碼流產(chǎn)生，其中RTL綜合作為設(shè)計流程中的第一步，對整個電路實現(xiàn)的性能起著至關(guān)重要的作用，特別在決定RAM資源的有效利用方面起關(guān)鍵作用.

至今，對于RAM存儲器的綜合研究,在學(xué)術(shù)界，研究主要分為三個分支：第一分支主要研究存儲器的高級綜合[2,3]，著眼于高級綜合中的多層次存儲器架構(gòu)生成，主要面向ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，探討生成何種RAM描述，而沒有涉及具體實現(xiàn)；第二分支主要研究RTL級存儲器翻譯轉(zhuǎn)化成邏輯存儲器[4～8],沒有工藝映射的研究；第三分支主要研究邏輯存儲器映射到基于目標(biāo)工藝庫的存儲器，即存儲器的工藝映射[9～13]，本文的工作屬于該分支.其中[9～12]研究不同面積規(guī)模的邏輯存儲器到目標(biāo)存儲器的映射，不考慮讀寫類型等工作模式，[13]研究的存儲器工藝映射涉及不同種類、不同面積規(guī)模的目標(biāo)存儲器的映射，但種類只包含端口有無讀寫功能,實用性不強(qiáng).本文提出的存儲器工藝映射主要面向?qū)嵱脭?shù)字電路中的RAM存儲器，涵蓋各種類型和各種面積規(guī)模的存儲器，并且重點在類型上做系統(tǒng)研究，類型主要包括：(1)分布式RAM[14](Distributed-RAM，DRAM)和塊式RAM[14](Block-RAM，BRAM)；(2)單端口[14](Single-Port)RAM和雙端口[14](Dual-Port)RAM；(3)RAM端口的讀寫操作，即只有讀、只有寫、有讀有寫；(4)端口工作模式，即讀模式、寫模式、寫讀模式；(5)端口管腳類型；(6)RAM存儲規(guī)模等.在工業(yè)界，F(xiàn)PGA片上RAM的工藝映射已廣泛集成于FPGA RTL綜合工具中，這類技術(shù)被國外Synopsis、Xilinx等少數(shù)幾家國外公司所壟斷，用戶只能獲得RAM RTL級描述的用戶手冊信息[15,16]具體映射實現(xiàn)的技術(shù)實現(xiàn)細(xì)節(jié)不公開.

本文在調(diào)研學(xué)術(shù)理論、RAM各種類型特點和多家FPGA綜合工具的基礎(chǔ)上，針對RAM工藝映射中多源和多目標(biāo)帶來的技術(shù)難題，提出基于Verilog HDL語言描述的RAM工藝映射技術(shù)和實現(xiàn)方案——Rsyn，采用C++語言實現(xiàn)，最終實現(xiàn)多種RAM源描述有效地映射到最佳類型和數(shù)量的FPGA片上RAM資源，產(chǎn)生EDIF(Electronic Design Interchange Format)格式的電路網(wǎng)表，其正確性在Xilinx的多個系列FPGA上得到充分驗證，Rsyn已經(jīng)集成在自主開發(fā)的RTL綜合工具——Hqsyn，并實現(xiàn)商用.

2 技術(shù)難點

RAM工藝映射的技術(shù)難點主要在于RAM源描述的多樣性、FPGA片上RAM的多模式以及由此造成的多源RAM匹配對多目標(biāo)RAM映射困難.

FPGA片上RAM(下文RAM均指FPGA片上RAM)，主要分為兩類：DRAM和BRAM，圖1所示為Xilinx Virtex2 FPGA器件上RAM資源的分布情況[14]，DRAM分布在邏輯單元中，用邏輯單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，BRAM是FPGA片上專有單元.

DRAM和BRAM分別具有不同的特性，包括端口數(shù)量、端口有無讀寫操作、端口工作模式，即讀模式、寫模式、寫讀(read-during-write)模式，管腳類型(如圖1左圖中RAM的WE、WCLK、D、A0等)，以及存儲規(guī)模等，每一種RAM都是可以由這幾種特征描述.其中最為復(fù)雜的是寫讀模式，用于控制RAM處于寫入狀態(tài)時讀端口數(shù)據(jù)與存儲單元數(shù)據(jù)以及寫數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，主要分為先讀(read-first)、先寫(write-first)、保持(no-change)三種模式[15].

表1 兩個端口RAM讀寫操作模式表

表1是針對端口數(shù)為2、只考慮端口讀寫操作的可能RAM類型，表中顯示共有20種RAM結(jié)構(gòu).如果考慮工作模式、同步異步、不同管腳類型、存儲規(guī)模，以及交叉端口的寫讀模式[17]等情況，則可能的結(jié)構(gòu)類型更多，實現(xiàn)難度會更大.上文介紹目標(biāo)RAM的多樣性和復(fù)雜性，同樣RAM源描述方面，一種功能結(jié)構(gòu)的RAM可以有多種不同的描述方式，以圖2為例，圖中上部分是用Verilog HDL語言描述的三種不同RAM源描述，它們功能等價，均描述了讀寫模式為“先寫”的RAM.

實現(xiàn)上述“先寫”RAM源描述的RAM結(jié)構(gòu)也有多種選擇，圖中下部分的三種結(jié)構(gòu)是針對功能等價的“先寫”RAM的三種不同實現(xiàn)方式，而圖例中一個“先寫”模式的RAM源描述到目標(biāo)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)就有9種不同的映射匹配目標(biāo)，如果考慮端口讀寫操作、同步異步、不同管腳類型、存儲規(guī)模，以及交叉端口的寫讀模式，匹配的目標(biāo)RAM會有更多種結(jié)構(gòu).

3 RAM的工藝映射

針對第2節(jié)提出的技術(shù)難點，提出解決方法：建立工藝無關(guān)的RAM統(tǒng)一模型.該模型統(tǒng)合了RAM的各種特征，以便于實現(xiàn)包含建模、模式匹配、造價計算、綁定等步驟的RAM工藝映射.

3.1 工藝無關(guān)的RAM模型

各種電子應(yīng)用系統(tǒng)的RAM結(jié)構(gòu)可以抽象成包括Memory Array，Write block，Read block，Write control，Read control，Write address，Read address，Write data和Read data模塊的電路，基于此，對于多樣性RAM源描述，可建立圖3所示的識別數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)去多樣性目的.該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)化成圖4工藝映射統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模型.圖4模型與工藝無關(guān)，是RAM工藝映射實現(xiàn)的關(guān)鍵，涵蓋常用RAM結(jié)構(gòu).統(tǒng)一模型中RAM的特征通過表2中六個關(guān)鍵性特征屬性描述，即端口模式、管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式和寫讀模式，各種源和目標(biāo)RAM結(jié)構(gòu)都從該六種屬性描述.

源RAM經(jīng)過Rsyn的識別建模，可以轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目標(biāo)RAM(庫單元中的RAM)描述也基于統(tǒng)一模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣保存了源RAM和目標(biāo)RAM轉(zhuǎn)化成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是統(tǒng)一模型的子集.不同種源和目標(biāo)RAM就可以按照特征配置，有相同的RAM標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)，使得復(fù)雜的RAM工藝映射成為可能.

表2 RAM工藝映射模板特征表

引入該模型使得源RAM和目標(biāo)RAM的多樣、多模式統(tǒng)一化，進(jìn)而使RAM工藝映射難題得以解決.由于該模型與工藝無關(guān)，基于不同系列FPGA器件RAM的工藝映射，只需把器件RAM結(jié)構(gòu)按照圖4統(tǒng)一模型結(jié)構(gòu)描述庫文件，就可以實現(xiàn)面向各種不同F(xiàn)PGA的移植.以Xilinx Virtex、Virtex2系列FPGA的RAM映射為例.Virtex2系列FPGA的RAM與Virtex的RAM有相同的端口模式、管腳類型、地址模式、寫模式、寫讀模式，唯一不同的是Virtex的RAM只有先寫工作模式，而Virtex2的RAM有先寫、先讀、保持三種工作模式，這點在工藝映射庫文件中，通過寫讀工作模式屬性設(shè)定.這樣識別出的RAM結(jié)構(gòu)按照其各RAM特征屬性，便可以映射到庫中RAM.

3.2 RAM工藝映射實現(xiàn)

工藝映射過程主要分為建模、模式匹配、造價計算、綁定等四個步驟，下面依次介紹四個步驟，其中建模是整個過程的核心，也是本文的介紹重點.

3.2.1 建模

建模是通過分析源RAM(srcRAM)結(jié)構(gòu)和相關(guān)邏輯特征，建立RAM統(tǒng)一模型的過程，主要包括預(yù)處理、端口壓縮、規(guī)模判斷、建模和后處理五個步驟，算法實現(xiàn)的偽代碼如下：

其中1～4行是預(yù)處理，1～3行是端口壓縮，4行是規(guī)模判斷，5～12建模，13是后處理.

1～3行端口壓縮，在工藝映射前，從Verilog HDL中識別出的RAM存在多個端口情況，其RAM功能可能只是單端口或者是雙端口RAM，為此可以按照地址控制和讀寫操作特點，合并多端口為單端口或雙端口，這樣可以達(dá)到RAM工藝映射、提高RAM資源利用率的效果.

第4行是規(guī)模判斷，判斷映射目標(biāo)選擇DRAM還是BRAM的過程，目的是為了使源RAM映射到最佳類型和數(shù)量的FPGA片上RAM資源.由于多個DRAM加額外邏輯可以實現(xiàn)和BRAM一樣的功能，因此源RAM既可以映射到BRAM，也可映射到DRAM加輔助邏輯，但是這兩種映射方案在電路性能和片上資源利用率方面均有所不同，因此需要合理選擇映射目標(biāo)，以避免大規(guī)模RAM采用DRAM造成FPGA片上邏輯資源浪費，性能降低；又或者小規(guī)模RAM采用BRAM造成BRAM資源浪費的問題.具體實現(xiàn)主要是篩選出可以用BRAM實現(xiàn)的大規(guī)模RAM，以目標(biāo)器件FPGA中BRAM的存儲空間(tgtSize)作為篩選標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)srcRAM的存儲空間小于tgtSize時，用DRAM實現(xiàn)，不經(jīng)過下面的建模處理；反之，經(jīng)過下面建模處理，用BRAM實現(xiàn).

其中5～12行是建模的核心算法，依次遍歷源RAM的每一個端口，按照RAM的三種工作模式——write-first、read-first、no-change作為建模處理的三個主分支，而后考慮管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式的特征，把源RAM和可能相關(guān)邏輯單元重構(gòu)為統(tǒng)一模型結(jié)構(gòu).以圖2中提到多目標(biāo)映射的單端口同步讀且write-first工作模式為例說明的建模原理，設(shè)定三個例子中RAM的存儲規(guī)模都是4096X4(地址深度X數(shù)據(jù)位寬),如圖4，第一步先從直譯出的電路網(wǎng)表中識別出某種模式的RAM以及相關(guān)聯(lián)邏輯單元.圖2中雖然write-first2和write-first3的描述不同，但是直接翻譯出的電路結(jié)構(gòu)相同，所以三個描述歸為兩種.然后建模，源RAM和相關(guān)邏輯單元結(jié)構(gòu)，從端口模式、管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式和寫讀模式六個方面，通過結(jié)構(gòu)重組、配置成RAM統(tǒng)一模型，如圖5，把源RAM和相關(guān)的寄存器、與門、選擇器邏輯單元重構(gòu)為右圖結(jié)構(gòu).

第13行的后處理過程主要處理一些不滿足第5～12行處理要求，但又不能直接映射到FPGA片上RAM的情況，比如一個規(guī)模小的RAM，兩個端口寫同步，讀異步，讀端口連接寄存器，這類RAM和連接的寄存器單元由于RAM規(guī)模較小，只能放在后處理，即通過統(tǒng)一模型重構(gòu)，再實現(xiàn)工藝映射.

3.2.2 模式匹配

模式匹配是指配置成RAM統(tǒng)一模型結(jié)構(gòu)的源RAM，按照RAM六個特征屬性，在工藝映射庫中選擇屬性匹配的RAM庫單元作為目標(biāo)RAM的過程.工藝映射庫中包含某系列FPGA片上的各種RAM單元，為源RAM提供映射目標(biāo)RAM單元，其中映射庫中的RAM單元都以RAM統(tǒng)一模型描述.匹配過程包括：精準(zhǔn)匹配、模糊匹配.匹配原理公式如下：

Source(pm,pt,adm,w,r,wr)<= Target(pm,pt,adm,w,r,wr)；

其中pm、pt、adm、w、r、wr分別表示RAM的端口模式、管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式、寫讀模式，Source()和Target()分別表示源RAM和目標(biāo)RAM模式匹配函數(shù)，包含了精準(zhǔn)匹配和模糊匹配.精準(zhǔn)匹配要求目標(biāo)RAM的管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式、寫讀模式等特征和源RAM的完全一致.模糊匹配則需要目標(biāo)RAM特征和源RAM的特征滿足包含關(guān)系.在匹配的過程中，先執(zhí)行精準(zhǔn)匹配，對于不滿足精準(zhǔn)匹配的情況，才進(jìn)行模糊匹配.以圖6所示為例，先精準(zhǔn)匹配，得到單端口、同步讀、先寫的RAM4096X1、RAM2048X2、RAM1024X4可以匹配，單端口、異步讀RAMD16X1不匹配，再通過模糊匹配得到雙端口、同步讀、先寫的RAM1024X4也可以匹配，最后得到在映射工藝庫中共有4個目標(biāo)RAM滿足匹配條件.

3.2.3 造價計算與綁定

如圖6所示，由于經(jīng)模式匹配后，映射庫中仍存在4種可以匹配源RAM的目標(biāo)RAM單元，因此需要進(jìn)一步找到最優(yōu)匹配的目標(biāo)RAM單元，以達(dá)到FPGA片上RAM資源的高利用率.實現(xiàn)方法：采用造價計算算法，計算出源RAM映射到每一個匹配目標(biāo)RAM需要付出的造價值，經(jīng)比較后，選取需要付出最小造價的目標(biāo)RAM作為最優(yōu)映射目標(biāo).造價計算公式如下：

cost=T(area)*(sWid/tWid)*(sDep/tDep)+f(MUX)+f(FF);

公式中，T(area)表示采用目標(biāo)RAM實現(xiàn)所需要占用FPGA的面積；sWid、sDep、tWid、tDep分別代表源RAM與目標(biāo)RAM的數(shù)據(jù)寬度和存儲空間數(shù)量;f(MUX)和f(FF)兩個函數(shù)表示造價值的補(bǔ)償因子；f(MUX)是針對源RAM深度大于目標(biāo)RAM而言的，這類RAM需要經(jīng)過拆分才可以映射到目標(biāo)RAM中，因拆分產(chǎn)生的地址邏輯MUX(Multiplexer，選擇器)需要計入考慮；f(FF)是針對同步讀的源RAM映射到異步讀的目標(biāo)RAM而言的，這種情況下需要增加新的FF(Flip-Flop,觸發(fā)器)實現(xiàn)源RAM的同步讀功能，所增加的FF面積同樣需計入考慮.

圖7中，源RAM為RAM4096X4，匹配中的4個cost值分別為：

cost(RAM4096X1)=4096*(4/1)*(4096/4096)=16384

cost(RAM2048X2)=4096*(4/2)*(4096/2048)+16(f(MUX))=16400

cost(RAM1024X4)=4096*(4/4)*(4096/1024)+32(f(MUX))=16416

cost(雙端口RAM1024X4)=2*(4096*(4/4)*(4096/1024)+32(f(MUX)))=32382

經(jīng)造價計算后，RAM4096X1被選取為最優(yōu)映射目標(biāo).

綁定指將源RAM的連接和屬性綁定到最優(yōu)目標(biāo)RAM單元上的過程，如果需要分裂的，則按照地址和數(shù)據(jù)寬度分裂源RAM，以保證既可以映射到目標(biāo)RAM中，又可以達(dá)到對RAM資源使用率最小.如圖8所示，需要把源RAM分裂成4個，分別綁定到4個并聯(lián)的最優(yōu)匹配——RAM4096X1.

4 驗證分析

驗證在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行，同時嵌入到圖9的自動化測試平臺中，最終輸出比較結(jié)果，如表3.對比實驗的目標(biāo)器件為Xilinx Virtex和Virtex2[14]系列芯片，是項目支持的器件.對比實驗的測試用例為OC Verilog[18]測試集中抽取的10個用例，均采用Verilog HDL語言描述，含有不同結(jié)構(gòu)的RAM描述，LUT數(shù)占用規(guī)模在幾千到幾萬不等.本文提出的工藝映射方法實現(xiàn)為Rsyn，參與對比的綜合工具分別為Synplify-pro2012和Xilinx的XST10.1(其中XST10.1是Xilinx ISE軟件系列中能支持Virtex及Virtex2器件的最高版本).

表3 Rsyn與Synplify和XST的RAM工藝映射效果對比列表

表3顯示Synplify、XST、Rsyn綜合處理RAM的效果對比情況，Rsyn實現(xiàn)RAM工藝映射和Synplify效果相同；10個和XST實現(xiàn)RAM工藝映射效果相同，其中對于reed-solomon-decoder和tiny-tate-bilinear-pairing-911，XST分別比Rsyn多產(chǎn)生7個和1個RAMB，是用來實現(xiàn)ROM功能的.

表4是面向Virtex和Virtex2系列FPGA的RAM工藝映射結(jié)果對比表.由于Virtex的BRAM是4Kb規(guī)模，且只有先寫工作模式，而Virtex2的BRAM是16Kb規(guī)模、有先寫、先讀、保持等工作模式，因此實現(xiàn)的結(jié)果有差別，如表4所示,reed-solomon-codec-generator、reed-solomon-decoder、aquarius-perf、spimaster和ethmac中的存儲模塊，在virtex器件中用DRAM實現(xiàn)；而在Virtex2中用BRAM實現(xiàn).sdc-fifo中的存儲模塊，在virtex器件不支持；而在Virtex2中，可以用BRAM實現(xiàn).本文的RAM工藝映射技術(shù)可以適用到不同廠商、不同系列FPGA中的RAM，如Altera和Xilinx，Virtex、Virtex2、Virtex7等，只需要更新某FPGA中RAM各種工作模式在工藝映射庫中的描述.

表4 面向Virtex和Virtex2 FPGA器件的RAM工藝映射對比表

5 總結(jié)

針對實用電子系統(tǒng)存儲器和其描述多樣性帶來的RTL綜合實現(xiàn)困難，且關(guān)鍵技術(shù)壟斷在幾家國外公司而不公開的現(xiàn)狀，本文提出并系統(tǒng)介紹了RTL綜合中FPGA片上RAM工藝映射方法，建立了一套工藝無關(guān)的RAM統(tǒng)一模型，把各種源和目標(biāo)RAM按照端口模式、管腳類型、地址模式、寫模式、讀模式和寫讀模式配置到統(tǒng)一RAM模型上，解決了多種模式的源RAM映射到多種模式目標(biāo)RAM的難題，該模塊已經(jīng)集成在自主開發(fā)的Hqsyn綜合工具中，并已經(jīng)商用，具有較高實用價值.實驗結(jié)果驗證了本方法的有效性，即在產(chǎn)生RAM性能方面，可以和主流綜合工具——Synplify和XST處于接近水平.本文驗證是通過Xilinx,Virtex、Virtex2，系列FPGA提到的RAM工藝映射技術(shù)可以適用到不同廠商、不同系列FPGA中的RAM，如Altera和Xilinx，Virtex、Virtex2、Virtex7等，只需要更新某FPGA中各種工作模式的RAM在工藝映射庫中的描述即可.

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李 艷 女,1981年出生于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市,博士研究生,助理研究員，主要研究領(lǐng)域為FPGA架構(gòu)和FPGA EDA的設(shè)計.

E-mail:liyan-ic@163.com

張東曉 男,1972年出生,北京人，博士，F(xiàn)PGA EDA領(lǐng)域?qū)＜?，主要研究領(lǐng)域為EDA、VHDL/Verilog Hdl語言、高級綜合和相關(guān)算法;2007年作為CEO，聯(lián)合創(chuàng)辦北京飄石科技有限公司，從事FPGA軟件開發(fā)與服務(wù)，提供通用平臺化FPGA軟件解決方案，目前已經(jīng)被國內(nèi)多家FPGA單位所使用.

E-mail:zdx@uptops.com.cn

Technology Mapping of FPGA on-Chip-RAM in RTL Synthesis

LI Yan1,ZHANG Dong-xiao2,YU Fang1

(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2.UptopsDesignTechnologies,Inc.,Beijing100080,China)

RAM is one of the most important macro-cells of FPGA,and RTL synthesis plays a critical role on the effective use of RAM resources in FPGA development.For the difficulty of multi-resources and multi-targets in RAM technology mapping of RTL synthesis,this paper presents a method of technology mapping for FPGA on-chip RAM.In this method,an unified technology-independent RAM model is proposed,and based on this model,RAM technology mapping is performed through a series of steps,including model set-up,mode-matching，cost calculation,and binding.When applied in RTL synthesis,this method is capable of mapping various styles of RAM RTL descriptions into the most appropriate type and number of FPGA on-chip RAM resources.Experimental result shows that this method achieves comparable RAM mapping results as the mainstream FPGA RTL synthesis tools-Synplify and XST,this technology has been integrated into the self-developed RTL synthesis-Hqsyn and has been applied into the FPGA market.

FPGA(Field Programmable Gate Arrays);RTL(Register-Transfer-Level)synthesis;on-chip RAM;technology mapping

2015-03-17;

2015-06-25；責(zé)任編輯：馬蘭英

國家重大專項02專項(No.Y1GZ212002)

TN47

A

0372-2112 (2016)11-2660-08

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10.3969/j.issn.0372-2112.2016.11.014