原创 ALTERA Cyclone 10器件的使用-7：FPGA片内RAM资源利用率思考

概述

项目使用的FPGA目标器件为Cyclone 10 GX系列规模最大一颗料，由于功能升级增加了功能模块更多，发现器件片内RAM不够使用了。为了探索片内RAM使用的利用率问题，从代码RTL级与编译软件的优化选项方面进行了思考。表1是器件手册中给出的C10GX器件片内RAM颗粒，即M20K，可配置模式。

表1：Intel Cyclone 10 GX器件单端口片内存储器配置

对于MLAB来说，一个MLAB大小是640bit，是由双功能逻辑阵列模块（LAB）配置而成。MLAB是宽而浅型存储阵列的最佳选择，每个MLAB由10个自适应逻辑模块（ALM）组成，在Intel Cyclone 10 GX器件中，这些ALM可配置成10个32x2模块，这样的每个MLAB可实现32x20的简单双端口SRAM模块，Cyclone 10 GX系列器件中片内存储器性能及分布如表2所示。

表2：Intel Cyclone 10 GX器件中片内存储器性能及分布

项目遭遇片内RAM不够问题

升级的项目，在之前逻辑设计的基础上增加了两个模块，理论上存储器消耗要增加一倍。逻辑修改后，工程全编译时，在Fit阶段报错，提示目标器件无法提供足够的RAM来完成布局，如图1所示。

图1：因RAM不足，导致布局失败

Info(170034): Selected device has 587 memory locations of type M20K block. The current design requires 626 memory locations of type M20K block to successfully fit.

Info(170033): Memory usage required for the design in the current device: 107% M20K block memory block locations required

Info(170043): The Fitter setting for Equivalent RAM and MLAB Paused Read Capabilities is currently set to Care. More RAMs may be placed in MLAB locations if a different paused read behavior is allowed.

从编译消息列表中摘出上述3条有关出错的消息，第一条提示器件总共587个M20K颗粒，当前设计需要626个来完成布局。第二条给出当前设计完成布局需要消耗器件片内RAM颗粒数量是目标器件能提供的107%。第三条消息提示Fitter的关于“Equivalent RAM and MLAB Paused Read Capabilities”当前设置是“Care”，如果允许更改该设置，则可以将更多的RAM消耗替换为MLAB消耗。

在Quartus的Settings设置中，找到编译器设置页面，并在该页面中找到属于Fitter的Settings高级设置按钮，如图2所示，并点击此按钮进入高级Fitter设置页面。

图2：编译器设置页面

如图3所示，为Fitter的高级设置页面，找到“Equivalent RAM and MLAB Paused Read Capabilities”设置选项，可以将默认设置“Care”修改为“Don’t Care”，如此再重新编译后则可以解决上述报错问题，如图4。

如图4所示，虽然经过上述修改解决该报错问题，但是整个RAM消耗已经达到了100%。100%的RAM消耗率，如果设计功能已经达到目标要求，则是可以作为最终设计提交，但是这仅仅这是项目的预先编译评估，所以并不能就此停止。比如，在后期调试时需要添加SignalTap功能的时候，就可能面临无RAM可用的情况。同时，还需要了解上述设置修改对逻辑设计是否产生负面影响进行评估，即需要对该设置进行深入了解，否则不要轻易修改默认设置。

如果需要进一步减小RAM消耗，那么就需要针对当前设计进行深度优化，这是下一节的内容。

图3：高级Fitter设置页面

片内RAM耗尽后，优化思考

Cyclone 10 GX最大型号器件，总共有587颗片内M20K颗粒，如图4所示，按照图3所示对Fitter高级设置进行修改后，对工程再编译，全编译无报错通过，编译报告提示所有M20K颗粒已经100%耗尽。

图4：M20K颗粒耗尽统计报告信息

如果查看Fitter给出的各个M20K颗粒使用详尽信息，可以发现，各个颗粒容量的使用率不尽相同，有些颗粒甚至使用了不到1%，如图5所示，这些颗粒有12个。

图5：Cyclone 10 GX系列最大器件中M20K颗粒使用情况信息

上述不到1%利用率的M20K颗粒很大可能是为了与其它颗粒“凑整”过程中被消耗的，一旦被占据，该M20K颗粒空余空间就无法开放给其它逻辑使用了。如此大大降低了RAM颗粒的利用率，在进行逻辑设计的初始阶段就应该核算RAM、FIFO或ROM的大小与实际片内RAM颗粒的尺寸来进行规划，提高资源的利用效率。

举个简单的例子说明RAM被“奢侈”利用，AD9633分解为8个LVDS接收器通道，解串后得到了48-bit的并行数据，这时创建了一个FIFO来缓冲该数字转换数据，所以FIFO的位宽48-bit，深度选择为8。所以一个FIFO实际消耗384-bit的RAM，但是经过编译，该FIFO必须要使用2个M20K颗粒（共40960-bit）来实现，RAM利用率不到1%。是不是很奢侈，很浪费？！

这个FIFO的读写时钟不一样，所以属于异步FIFO，修改图3所示的高级设置选项也无法将FIFO转换为MLAB来实现。在例化FIFO的时候倒是可以强制指定使用MLAB来实现它。

参考

1. Intel Cyclone 10 Devvices Overview.