QIC 在縮短大容量FPGA編譯時(shí)間中的作用

前言

按照相對(duì)論的理論，時(shí)間也是可以被拉長(zhǎng)縮短的，只不過(guò)需要巨大的能量支撐著您達(dá)到一個(gè)和光速可比擬的高速度而已。這話說(shuō)著輕松，你我心里都明白，估計(jì)咱們的有生之年是看不到這樣的情景的……

回到可編程邏輯器件領(lǐng)域，隨著65nm、40nm，乃至目前的28nm深亞微米工藝的采用，廠家生產(chǎn)出了越來(lái)越大，也越來(lái)越復(fù)雜的FPGA器件。而用戶們?cè)跒?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA不斷增強(qiáng)的功能和不斷下降的單位成本而欣喜不已的同時(shí)，也在為相關(guān)EDA軟件的性能滯后所帶來(lái)的開(kāi)發(fā)效率相對(duì)降低而苦惱不已，尤其是對(duì)大容量FPGA芯片動(dòng)輒10到20個(gè)小時(shí)的編譯時(shí)間可謂怨氣沖天。筆者在許多次面對(duì)一線的FPGA工程師時(shí)，都聽(tīng)到了這樣類(lèi)似的話：要是編譯時(shí)間能壓一壓就好了！

Altera不能真的壓縮時(shí)間，但我們能改變“速度”！從數(shù)年前的版本開(kāi)始，Quartus2軟件中就整合了一種新技術(shù)，或者說(shuō)一種新的設(shè)計(jì)流程：增量式編譯（Incremental Compilation）。它是ALTERA為解決大容量FPGA設(shè)計(jì)編譯時(shí)間太長(zhǎng)的問(wèn)題給出的一個(gè)新式工具！您，了解它嗎？

增量式編譯原理及流程

增量式編譯QIC的原理很容易理解：對(duì)一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)而言，肯定是需要做一定的功能劃分，由不同的子功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么在設(shè)計(jì)進(jìn)入后期比較成熟的時(shí)候，前后兩次編譯的設(shè)計(jì)版本中，會(huì)有很大部分的電路邏輯都是相同的（沒(méi)有修改），如果能在后一次編譯中，重復(fù)利用前一次編譯中未改變部分的編譯結(jié)果，也就是相應(yīng)部分的布局布線信息，那么就能把這部分邏輯所消耗的布局布線時(shí)間節(jié)約下來(lái)，從而在很大程度上縮短整個(gè)設(shè)計(jì)的編譯時(shí)間。當(dāng)然，聰明的讀者都能想到，這樣的編譯方式，除了能縮短編譯時(shí)間，還能支持許多別的用途，比如IP設(shè)計(jì)交付、團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)、不改變正常設(shè)計(jì)結(jié)果插入調(diào)試接口等。這些確實(shí)都是ALTERA 增量式編譯能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，但在本文中我們只闡述QIC在縮短編譯時(shí)間方面的作用。

增量式編譯原理雖然簡(jiǎn)單，但要在FPGA的EDA軟件中實(shí)現(xiàn)，卻是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它不是簡(jiǎn)單地在軟件中增加一個(gè)功能模塊，而是對(duì)編譯處理流程多方面的改變和增強(qiáng)！請(qǐng)比較圖1和圖2兩幅附圖：圖1是傳統(tǒng)的FPGA編譯流程（Altera名稱：Flat compilation），圖2則是增量式編譯流程的示意圖。我們很容易發(fā)現(xiàn)增量式編譯流程復(fù)雜了許多，不僅引入了一些新的概念，比如設(shè)計(jì)分區(qū)（partition）、分區(qū)綜合后網(wǎng)表、分區(qū)布局/布線后網(wǎng)表等，同時(shí)加入了新的處理階段——分區(qū)合并（partition merging），而且對(duì)分析綜合（AnalysisSynthesis）和布局布線（fitter）階段進(jìn)行了改進(jìn)，增加了許多針對(duì)分區(qū)的具體操作。

圖1 Flat Compilation 流程

圖2 QIC增量式編譯流程

經(jīng)過(guò)幾年的研究與實(shí)踐，QuartusII的增量式編譯已逐步完善，無(wú)論是在可操作性、穩(wěn)健性方面，還是在縮短編譯時(shí)間的效果方面，都十分出色。筆者參與的幾個(gè)客戶項(xiàng)目中，通過(guò)QIC的實(shí)施，都得到了50%左右的編譯時(shí)間節(jié)約，極大提高了客戶的開(kāi)發(fā)效率。下面，我將結(jié)合這些實(shí)際項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)，介紹如何實(shí)踐利用QIC來(lái)高效的縮短設(shè)計(jì)編譯時(shí)間。

QIC實(shí)踐

QIC的效果評(píng)估

在討論具體如何使用QIC之前，先考慮一個(gè)問(wèn)題：如果讀者在您的工作中使用了增量式編譯QIC，怎么評(píng)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(shí)間的效果。首先，需要把您的設(shè)計(jì)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(shí)間。然后，創(chuàng)建合理的設(shè)計(jì)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(gè)分區(qū)的初始網(wǎng)表，并請(qǐng)記錄下操作時(shí)間。第三次編譯，您可以選擇修改設(shè)計(jì)中的某一個(gè)分區(qū)，然后再編譯一次，記錄下操作花費(fèi)的時(shí)間。將第三次的編譯時(shí)間和第一次相比，正常的話應(yīng)當(dāng)看到非常明顯的時(shí)間節(jié)約，這才是QIC增量式編譯在編譯時(shí)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(shí)間和第一次編譯差不多，有時(shí)還有增長(zhǎng)。許多人為此懷疑QIC的性能，認(rèn)為QIC沒(méi)有效果甚至惡化了編譯時(shí)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(gè)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(shí)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(shuō)整個(gè)設(shè)計(jì)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(lèi)似的，因此這部分花費(fèi)的時(shí)間也是差不多。把這兩部分時(shí)間加起來(lái)，自然第2次編譯時(shí)間有可能會(huì)比第一次長(zhǎng)了。只有當(dāng)進(jìn)行第3次編譯的時(shí)候，各個(gè)分區(qū)都有可重用的網(wǎng)表了，才有可能將那些沒(méi)有設(shè)計(jì)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(shí)間，達(dá)到整體編譯時(shí)間的節(jié)約。

圖3是筆者支持的一個(gè)客戶所進(jìn)行的QIC增量式編譯性能評(píng)估的結(jié)果總結(jié)?？蛻舻脑O(shè)計(jì)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%?？蛻舻木幾g硬件是一臺(tái)高性能服務(wù)器：、

圖3 Z客戶增量式編譯評(píng)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(gè)小時(shí)。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(jì)優(yōu)化后，最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以在6個(gè)小時(shí)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(shí)間！從圖3中很容易看出前面文字描述的幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 第一次編譯和第二次編譯的總時(shí)間差不多（750 VS 730）

2. 第三次編譯中，AnalysisSynthesis操作的時(shí)間，fitter操作得時(shí)間都比第一次編譯有非常明顯的降低；

3. 從原理上看，QIC的網(wǎng)表重用對(duì)Assembly和時(shí)序分析沒(méi)有直接影響。因此三次編譯中，Assembler和時(shí)序分析所花費(fèi)的時(shí)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(jì)層次緊密關(guān)聯(lián)的。任何設(shè)計(jì)，無(wú)論簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，都會(huì)有一個(gè)頂層模塊（top-level module），Quartus自動(dòng)將它設(shè)置為一個(gè)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(dòng)創(chuàng)建。創(chuàng)建分區(qū)的方法很簡(jiǎn)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(jí)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(gè)關(guān)鍵概念。Altera規(guī)定：只要是有完整設(shè)計(jì)邊界的設(shè)計(jì)實(shí)體，無(wú)論它在設(shè)計(jì)的哪一層次，都可以用它來(lái)創(chuàng)建設(shè)計(jì)分區(qū)。也就是說(shuō)，Quartus II中，設(shè)計(jì)中任何層次中的任何一個(gè)設(shè)計(jì)模塊，可以作為一個(gè)設(shè)計(jì)分區(qū)；一個(gè)設(shè)計(jì)中也可以包含不止一個(gè)設(shè)計(jì)分區(qū)；即使是在設(shè)計(jì)的同一層次，也可有多個(gè)分區(qū)。同時(shí)，請(qǐng)注意：分區(qū)之間沒(méi)有層次關(guān)系，任何邏輯只能歸屬于某一個(gè)分區(qū)。以圖5為例，A模塊由A1、B1、C1三個(gè)子模塊組成。如果A模塊被設(shè)置為分區(qū)，Quartus會(huì)用模塊名來(lái)為此分區(qū)命名：A分區(qū)。那么，A分區(qū)中就會(huì)包含A1、B1、C1三個(gè)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(gè)子模塊的邏輯，B1子模塊的邏輯只屬于新的B1分區(qū)了。