增量式編譯QIC大幅縮短FPGA編譯時間

QIC實(shí)踐

QIC的效果評估

在討論具體如何使用QIC之前，先考慮一個問題：如果讀者在您的工作中使用了增量式編譯QIC，怎么評估它的效能呢?

您需要至少做3輪實(shí)驗(yàn)，才能看到QIC節(jié)約編譯時間的效果。首先，需要把您的設(shè)計用傳統(tǒng)編譯流程Flat Compilation進(jìn)行編譯，記錄下各階段所花費(fèi)的時間。然后，創(chuàng)建合理的設(shè)計分區(qū)，指定分區(qū)網(wǎng)表性質(zhì)，進(jìn)行第二次編譯，得到QIC各個分區(qū)的初始網(wǎng)表，并請記錄下操作時間。第三次編譯，您可以選擇修改設(shè)計中的某一個分區(qū)，然后再編譯一次，記錄下操作花費(fèi)的時間。將第三次的編譯時間和第一次相比，正常的話應(yīng)當(dāng)看到非常明顯的時間節(jié)約，這才是QIC增量式編譯在編譯時間節(jié)約方面的體現(xiàn)。

值得注意的是，第二次編譯中已經(jīng)使用了QIC，但往往花費(fèi)時間和第一次編譯差不多，有時還有增長。許多人為此懷疑QIC的性能，認(rèn)為QIC沒有效果甚至惡化了編譯時間。這其實(shí)是一種誤解!為什么呢?回到圖2，我們可以看到，QIC流程在AnalysisSynthesis和fitter之間增加了一個新的處理階段——分區(qū)合并，它是需要額外花費(fèi)在第一次Flat Compilation中不存在的時間。而且，由于這是創(chuàng)建分區(qū)后的第一次編譯，所有分區(qū)的網(wǎng)表都是空白的，也就是說整個設(shè)計都需要被編譯、分析、綜合、布局布線等的工作量和第一次編譯是類似的，因此這部分花費(fèi)的時間也是差不多。把這兩部分時間加起來，自然第2次編譯時間有可能會比第一次長了。只有當(dāng)進(jìn)行第3次編譯的時候，各個分區(qū)都有可重用的網(wǎng)表了，才有可能將那些沒有設(shè)計改變的分區(qū)的網(wǎng)表重用，從而節(jié)約綜合和布局布線階段的時間，達(dá)到整體編譯時間的節(jié)約。

圖3是筆者支持的一個客戶所進(jìn)行的QIC增量式編譯性能評估的結(jié)果總結(jié)。客戶的設(shè)計是高端路由器中的包處理應(yīng)用，使用了ALTERA公司的Stratix4GX530器件，邏輯利用率大約是60%。客戶的編譯硬件是一臺高性能服務(wù)器：

圖3 Z客戶增量式編譯評估實(shí)驗(yàn)效果

CPU：16core Intel(R) Xeon(R) CPU E7420 @2.13GHz

Memory：64GB

即使是如此，在不使用QIC的情況下，客戶的每次編譯都需要12到13個小時。而在使用QIC并根據(jù)QIC指導(dǎo)原則進(jìn)行了必要的設(shè)計優(yōu)化后，最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以在6個小時左右(大約350分鐘)完成一次編譯，節(jié)約了接近55%的總編譯時間!從圖3中很容易看出前面文字描述的幾個特點(diǎn)：

第一次編譯和第二次編譯的總時間差不多(750 VS 730)

第三次編譯中，AnalysisSynthesis操作的時間，fitter操作得時間都比第一次編譯有非常明顯的降低;

從原理上看，QIC的網(wǎng)表重用對Assembly和時序分析沒有直接影響。因此三次編譯中，Assembler和時序分析所花費(fèi)的時間是差不多的。

QIC指導(dǎo)原則

合理創(chuàng)建分區(qū)

Quartus中的“分區(qū)”是和設(shè)計層次緊密關(guān)聯(lián)的。任何設(shè)計，無論簡單還是復(fù)雜，都會有一個頂層模塊(top-level module)，Quartus自動將它設(shè)置為一個默認(rèn)分區(qū)(命名為top)，不需要用戶設(shè)定。而別的分區(qū)，需要用戶手動創(chuàng)建。創(chuàng)建分區(qū)的方法很簡單，在Quartus GUI界面左上角的Hierarchy窗口，選擇想創(chuàng)建分區(qū)的實(shí)體，右鍵喚出的菜單中選擇“Design Partition”，然后在下一級菜單中選擇”Setting as Design Partition”，分區(qū)就創(chuàng)建成功了。

從圖2可以看出，分區(qū)(Partition)是增量式編譯中的一個關(guān)鍵概念。Altera規(guī)定：只要是有完整設(shè)計邊界的設(shè)計實(shí)體，無論它在設(shè)計的哪一層次，都可以用它來創(chuàng)建設(shè)計分區(qū)。也就是說，Quartus II中，設(shè)計中任何層次中的任何一個設(shè)計模塊，可以作為一個設(shè)計分區(qū);一個設(shè)計中也可以包含不止一個設(shè)計分區(qū);即使是在設(shè)計的同一層次，也可有多個分區(qū)。同時，請注意：分區(qū)之間沒有層次關(guān)系，任何邏輯只能歸屬于某一個分區(qū)。以圖5為例，A模塊由A1、B1、C1三個子模塊組成。如果A模塊被設(shè)置為分區(qū)，Quartus會用模塊名來為此分區(qū)命名：A分區(qū)。那么，A分區(qū)中就會包含A1、B1、C1三個子模塊的所有邏輯。但如果把B1子模塊也創(chuàng)建為分區(qū)，那么，A分區(qū)中就只包含A1、C1兩個子模塊的邏輯，B1子模塊的邏輯只屬于新的B1分區(qū)了。

圖4 在Quartus GUI中創(chuàng)建分區(qū)示意

圖5 分區(qū)與邏輯歸屬變化

圖6 分區(qū)合并報告

圖7 分區(qū)綜合后資源使用統(tǒng)計

圖8 Design partition window

圖9 Design partition window