eng
Выпуск #3/2018
А. Строгонов, М. Горлов, П. Городков
САПР с открытым кодом для реализации проектов в академических ПЛИС
САПР с открытым кодом для реализации проектов в академических ПЛИС
Просмотры: 1986
Исследования новых архитектур проводятся на академических ПЛИС с использованием программных инструментов САПР с открытым кодом. В статье рассмотрены особенности применения наиболее распространенных программных инструментов с открытым кодом.
УДК 621.3.049 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.174.3.146.154
УДК 621.3.049 | ВАК 05.27.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.174.3.146.154
Теги: fpga architecture odin-ii open source cad rapidsmith 2 vpr vtr 8.0 xilinx архитектура плис сапр с открытым кодом
Использование программных инструментов индустриальных САПР для таких задач, как синтез, размещение и трассировка при исследовании академических ПЛИС, связано с трудностями или даже невозможно, поскольку компании – разработчики программных интерфейсов индустриальных САПР не предоставляют достаточной информации о программных интерфейсах ПО, ссылаясь на коммерческую тайну. Базы данных индустриальных ПЛИС также являются собственностью компаний, что усложняет доступ к ним. Поэтому исследования новых архитектур проводятся на гипотетических (академических) ПЛИС с использованием программных инструментов САПР с открытым кодом. Рассмотрим особенности применения наиболее распространенных программных инструментов для исследования академических ПЛИС.
Большая часть работ по академическим архитектурам и исследованиям САПР выполняется с использованием инструмента размещения и трассировки в базис ПЛИС VPR (Versatile Place and Route). Изначально в VPR версии 5.0 не было встроенных средств логического синтеза. Впоследствии VPR вошел в состав САПР VTR 8.0 (Verilog to Routing), который является совместной разработкой трех университетов: Торонто (Канада), Нью-Брансвика (Канада) и Калифорнийского в Беркли (США) [1–6].[1]
В некоторых индустриальных САПР ПЛИС предусмотрена возможность связи с академическими САПР. Например, САПР Altera с помощью программного интерфейса Quartus II University Interface Program (QUIP) производит выгрузку несложных HDL-проектов для некоторых серий ПЛИС в формате blif (Berkeley Logic Interchange Format), который поддерживается многими инструментами с открытым кодом. Это позволяет выполнить оценку HDL-проектов, реализованных с помощью указанных инструментов. Для этого извлекают информацию о задержках в критичных путях и сравнивают с данными, полученными для HDL-проектов, созданных с помощью индустриальных САПР.
В САПР VTR 8.0 предусмотрены различные архитектурные xml-файлы, которые позволяют разрабатывать и исследовать ПЛИС, близкие по техническим характеристикам к ПЛИС компании Altera (Intel FPGA) серии Stratix IV с адаптивными логическими элементами, умножителями и блоками памяти. В документации к VTR 8.0 приводится фрагмент архитектурного файла, описывающий секцию конфигурационных логических блоков (КЛБ) ПЛИС компании Xilinx серии Virtex‑6.
В xml-файлах используются различные конструкции языка, позволяющие создавать как логические блоки, так и межсоединения. Логические блоки необходимы для представления основных логических, вычислительных (умножители) и запоминающих устройств (однопортовая и двухпортовая память) в ПЛИС. Межсоединения обеспечивают связность внутри и между логическими блоками.
Сложные блоки можно создавать посредством иерархии тегов <pb_type>. Межсоединения в ПЛИС описываются с помощью тега <interconnect>. А тег <mode> позволяет строить логические блоки с различными режимами работы: например, блоки памяти ПЛИС могут быть сконфигурированы как 512 Ч 8 или 1 024 Ч 4. Кроме того, с помощью этого тега можно задавать режимы конфигурации умножителя, в частности, один умножитель с размерностью операндов 18 Ч 18 или два умножителя с размерностью 9 Ч 9. Можно построить перестраиваемый логический элемент (в VTR 8.0 логический элемент принято обозначать BLE), таблица перекодировки (LUT) которого функционирует в двух режимах – как одна 6-входовая или как две 5-входовых с тремя общими входами [4, 5].
На рис. 1 показана внутрикластерная (локальная) коммутация в используемом в VTR 8.0 КЛБ академической ПЛИС с применением коммутатора 60 Ч 60. КЛБ состоит из 10 ЛЭ (BLE), а ЛЭ имеет 6-входовую перестраиваемую таблицу перекодировок, которая может быть сконфигурирована как 6-входовая LUT или как две 5-входовых LUT с пятью общими входам.
Используемый в VTR синтаксический анализатор ODIN-II на основе описания архитектуры в XML-файле определяет гетерогенные блоки (умножители и блоки памяти) с точки зрения входов, выходов и возможной конфигурации, а также создает файл в blif-формате, где описаны логика устройства и черные ящики, которые определяют соединения с остальной частью системы.
С помощью программного инструмента ABC проводятся аппаратно-независимая логическая оптимизация схемы и технологическое отображение (размещение в логические боки) в базис LUT ПЛИС.
Выделяют следующие этапы обработки Verilog-кода синтезатором ODIN-II: построение абстрактного синтаксического дерева (AST), препроцессинг, оптимизация AST, конвертация AST в плоский нетлист и его дальнейшая оптимизация, частичное отображение в базис ПЛИС (рис. 2).
Затем логическая сеть отображается на целевой размер LUT ПЛИС. ABC не использует информацию о целевой архитектуре ПЛИС, кроме размера LUT. Результирующая логическая сеть отображается в технологический базис ПЛИС. ABC выводит оптимизированный и обработанный blif-файл.
VPR, который является ядром VTR, обеспечивает размещение кластеров и гетерогенных блоков на кристалле, оптимально организует глобальные и локальные трассировочные ресурсы для меж- и внутрикластерной связи логических блоков. КЛБ размещаются по алгоритму «имитация отжига», который может быть реализован на основе четырех ключевых компонентов: представления состояния текущего решения, набора перемещений из одного состояния в другое, целевой функции стоимости для оценки каждого состояния и схемы охлаждения, определяющей переход от начального поиска к локальной оптимизации.
Для разводки электрических связей в VPR используется модифицированный алгоритм PathFinder для выполнения полного либо управляемого процесса трассировки. VPR может выполнять трассировку Verilog-проекта с заданной шириной трассировочного канала или определить необходимую для этого минимальную ширину.
В [7] VTR доработан до возможности генерации синтезируемой RTL-модели архитектуры академической ПЛИС и битового потока для этой архитектуры. Текущие ограничения учитывают только то, что архитектурный файл позволяет создать гомогенную ПЛИС с системой коммутации, как у ПЛИС серии Stratix III, без использования блоков памяти и умножителей. Но это многообещающий шаг к более легкой разработке пользовательских архитектур. Предполагается, что RTL-модель подойдет для проектирования ПЛИС по 65-нм технологическому КМОП-процессу кремниевой фабрики TSMC с использованием метода стандартных ячеек.
Для исследования ПЛИС применяется еще один инструмент с открытым кодом – RapidSmith, который обеспечивает возможность подключения VPR к коммерческим ПЛИС Xilinx. В настоящее время доступна версия RapidSmith 2 с новым упаковочным инструментом RSVPack, позволяющим принимать информацию со стадии синтеза в САПР Xilinx с поддержкой Vivado для новых серий ПЛИС [7, 8].
ПО RapidSmith содержит новый набор инструментов и API для исследования, создания и тестирования новых алгоритмов размещения и трассировки на индустриальных ПЛИС Xilinx. RapidSmith, написанный на Java, основан на языке XDL. Интерфейс QUIP САПР Quartus II напоминает XDL, однако QUIP, в отличие от инструмента Xilinx xdl, не предоставляет сведения, необходимые для построения детальной трассировки.
К сожалению, XDL не совсем понятен многим пользователям и его потенциал часто не реализуется. RapidSmith способен преодолеть некоторые проблемы использования языка XDL, которые затрудняли его применение в прошлом.
XDL представляет собой читаемый формат ASCII, совместимый с более широко распространенным форматом NCD (Native Circuit Description) – двоичным форматом Xilinx. XDL обладает большей частью возможностей NCD, и Xilinx предоставляет исполняемый файл xdl, который может преобразовывать проекты NCD в XDL и обратно.
XDL и NCD являются встроенными форматами Netlist Xilinx для описания и представления проектов ПЛИС Xilinx. XDL – это интерфейс, используемый RapidSmith для размещения и извлечения информации о проекте в разных точках маршрута проектирования ПЛИС Xilinx (рис. 3).
RapidSmith преобразует «нечитаемый двоичный формат» NCD-файла, применяемого на различных стадиях проектирования ПЛИС (размещение, трассировка) в удобочитаемый эквивалент XDL-формата (текстовый XDLRC-файл) для последующего синтаксического анализа, манипуляций и экспорта (см. рис. 3). Однако XDL-формат Xilinx не поддерживается внешними средствами. XDLRC-файл содержит описание ресурсов ПЛИС в терминах архитектур Xilinх (КЛБ, блоки ввода-вывода, программируемые межсоединения, блочная память, ЦОС-блоки, микропроцессорные ядра, например PowerPC) и их межсоединений. На рис. 4 показан фрагмент XDLRC-файла, включающий такие конструкции, как логические плитки (tiles, это могут быть как КЛБ, так и умножители, блоки памяти), узлы (primitive site, например секции в КЛБ SLICEL или SLICEM), межсоединения (wire), программируемые точки межсоединений (PIP) внутри маршрутизаторов на мультиплексорных структурах. Логическая плитка состоит из одного или нескольких узлов, а узлы, в свою очередь, – из нескольких базовых логических элементов (BLE), связанных мультиплексорами. Таким образом, в ПЛИС Xilinx используется трехуровневая иерархия: плитка, узел и базовый логический элемент.
Программный модуль XST САПР Xilinx ISE объединяет в себе процесс синтеза и технологического отображения, модуль map – упаковку ЛЭ в секции КЛБ и размещение (секции, сформированные на этапе map, получают свои места в матрице КЛБ), модуль par – трассировку между КЛБ и другими блоками. На рис. 3 показаны точки в цепочке программных модулей ISE, в которых NCD-файлы преобразуются в XDL-файлы. Модуль map читает файл NGC после синтеза, технологического отображения и записывает результат в файл NCD (placed). Трассировщик par читает файл NСD (placed) на стадии размещения и записывает результат своей работы в файл NCD (routed) [8].
Подобно предусмотренному в VTR упаковщику AAPack, упаковщик RSVPack в ПО RapidSmith 2 использует «жадный» эвристический алгоритм упаковки, что позволяет применять эти инструменты в составе САПР для разработки архитектур ПЛИС, схожих с индустриальными ПЛИС, такими как Virtex 6. RSVPack поддерживает упаковку таких блоков, как мультиплексоры F7 / F8, LUTRAM (LUT в режиме ОЗУ) и SRL (LUT как сдвиговый регистр) в секции SLICEM.
VTR не читает синтезированный список соединений от синтезатора XST САПР Xilinx ISE, так как использует синтезатор ODIN II. Поэтому на основе ПО RapidSmith был разработан программный инструмент VTR to Bitstream (VTB), позволяющий реализовывать созданные в VTR академические ПЛИC в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx [8].
Комбинации файлов упаковочного списка соединений (.net), размещения (.place) и трассировки может быть достаточно для того, чтобы VPR генерировал битовый поток, но в архитектурном XML-файле ПЛИС отсутствует определение того, как будет реализована конфигурация каждой логической функции, трассировки и гетерогенных блоков в целевой ПЛИС. ПО RapidSmith читает эти файлы и сопоставляет их с популярными сериями ПЛИС Xilinx для генерации битового потока с применением инструментов манипулирования битовым потоком САПР Xilinx.
Программный инструмент VTR to Bitstream использует тот же архитектурный файл – blif-файл (LUT плюс триггеры), созданный с помощью ABC, что и VTR после аппаратно-независимой логической оптимизации и технологического отображения в базис LUT, net-файл (упаковка LUT и триггеров в КЛБ и их соединения), файл размещения в формате.place, созданный VPR, и выдает файл в формате .xdl. С помощью исполняемого файла xdl формат .xdl преобразуется в двоичный формат.ncd, который используется в САПР Xilinx ISE. Затем САПР Xilinx ISE выполняет трассировку и генерацию битового потока (файл .bit) для программирования ПЛИС (рис. 5).
Для реализации в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx серии Virtex‑6 необходимо изменить базовый КЛБ, используемый в САПР VTR 8.0. В [9] предлагается модель КЛБ с разряженным коммутатором (рис. 6). В более поздних экспериментах с архитектурами [10] были введены аппаратные сумматоры на выходах LUT (XADDER) для организации вертикальных цепей переноса для каскадирования сумматоров, а также доработана модель трассировочных ресурсов с использованием однонаправленных и двунаправленных межсоединений с различной длиной сегментации, проходящих непрерывно через L = 1, 2, 4 и 16 кластеров в горизонтальном, вертикальном, диагональном и изогнутых направлениях (рис. 7). Для более точного соответствия индустриальным ПЛИС серии Virtex‑6 локальные коммутаторы в КЛБ вынесены в маршрутизаторы трассировочных каналов.
В [10] исследовалось использование программных инструментов VTR, Yosys и VTR to Bitstream (рис. 8) в виде маршрутов проектирования (маршруты 2, 3, 4, 5) и программных модулей индустриального САПР Xilinx ISE (маршрут 1) при реализации Verilog-проектов в базис индустриальных ПЛИС Xilinx серии Virtex‑6.
В маршрутах 3, 4 и 5 используется новая версия программного инструмента VTR to Bitstream V2 с RapidSmith. Маршрут 2 предполагает совместное использование Yosys / ABC c последующим применением утилит map и par и трассировкой связей между сигналами секций САПР Xilinx ISE. Входным файлом утилиты ngdbuild является edif-файл, формируемый Yosys. Выходной файл утилиты par – .ncd, который преобразуется утилитой bitgen в битовый поток .bit. Маршрут 3 использует связку Yosys + VPR + par, маршрут 4 – Yosys + VPR, маршрут 5 – VTR, маршрут 1 – утилиты ISE. Проводились тесты производительности (Verilog-проекты) bgm, stereo2, mcml, des50, LU32PE и AESx3.
В качестве оценки выбиралось среднее геометрическое значение числа задействованных секций КЛБ ПЛИС Viertex‑6 XC6VLX240t тестов производительности для разных маршрутов (метрика Geomean). Максимальный разрыв метрики для маршрутов 2, 3 и 4 по отношению к метрике маршрута 1 с использованием утилит ISE составляет 82%.
Как показал статистический анализ временных задержек с помощью утилиты Xilinx TRCE для маршрутов 1, 2, 3, 4, на этапе синтеза задержки при реализации Verilog-проектов в базис ПЛИС Virtex‑6 XC6VLX240t для маршрута 2 больше на 31% относительно маршрута 1, на этапе кластеризации и размещения – на 10% и на этапе трассировки – на 15%. Следовательно, VTR производит синтез более низкого качества, чем САПР Xilinx ISE. В ходе тестирования выяснилось, что ODIN II не может синтезировать проекты des50 и AESx3, а Yosys синтезирует все шесть проектов. Кроме того, в процессе синтеза HDL-кода может образовываться избыточная (неиспользуемая) логика и наблюдаться рост числа используемых LUT и триггеров в проекте, в результате снижается рабочая частота проекта. Например, в документации на САПР Quartus II рекомендуется в некоторых случаях повторный синтез проекта, то есть перевод синтезированного проекта обратно на вентильный уровень и последующий синтез с помощью другого индустриального синтезатора, например Synplify Pro от Synopsys. Считается, что повторный синтез позволяет сократить число используемых логических ресурсов ПЛИС на 4–5%. Для оставшихся четырех проектов VTR показал повышенное число секций КЛБ при реализации в базисе ПЛИС Virtex‑6 XC6VLX240t.
* * *
В заключение отметим, что САПР VTR 8.0 позволяет задавать и исследовать сегментацию межсоединений и топологию маршрутизаторов в трассировочных каналах, внутрикластерную коммутацию, структуру логических элементов, коммутацию внутри логического элемента, размеры LUT, различные связи, например между блоками памяти и умножителями в ПЛИС, строить планировку кристалла и многое другое.
Однако VTR не может генерировать битовый поток и не предоставляет средств для создания RTL-моделей архитектур академических ПЛИС, что не позволяет по структурному Verilog-коду синтезировать физическую топологию кристалла для последующего его изготовления.
В то же время предприняты успешные попытки доработки VTR для генерации RTL-моделей в базисе заказных БИС. Использование ПО RapidSmith позволяет создавать различные инструменты для исследования академических ПЛИС в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx. Тем не менее, как отмечает ряд исследователей, реализация ПЛИС серии Virtex‑6 в VTR сопряжена с большими трудностями, так как некоторые особенности ЛЭ Virtex‑6 не поддерживаются синтезом VTR, например мультиплексоры F7 / F8, LUTRAM (LUT в режиме ОЗУ) и SRL (LUT как сдвиговый регистр) в секции SLICEM.
ЛИТЕРАТУРА
1. Luu J., Anderson J., Rose J. Architecture Description and Packing for Logic Blocks with Hierarchy, Modes and Complex Interconnect. – FPGA‘11, February 27 – March 1, 2011, Monterey, California, USA.
2. Luu J., Goeders J., Wainberg M. and others. VTR7.0: Next Generation Architecture and CAD System for FPGAs. – ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems, Vol. 7, No. 2, Article 6, Publication date: June 2014.
3. Verilog-to-Routing Documentation. Release 7.0.7. Aug 23, 2017.
4. Строгонов А., Цыбин С., Городков П. САПР VTR7 для проектирования академических ПЛИС // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
5. Строгонов А., Городков П. Реализация Verilog-проектов в базисе академических ПЛИС с применением САПР VTR7.0 // Компоненты и технологии. 2017. № 5.
6. Строгонов А., Городков П. САПР VTR8 как инструмент исследования новых архитектур ПЛИС // Компоненты и технологии. 2017. № 10.
7. Kim J.H., Anderson J. H. Synthesizable Standard Cell FPGA Fabrics Targetableby the Verilog-to-Routing CAD Flow. ACM Trans. Reconfigurable Technol. Syst. 10, 2, Article 11 (April 2017), 23 pages. DOI: http://dx.doi.org / 10.1145 / 3024063
8. Haroldsen T. D. Academic Packing for Commercial FPGA Architectures (2017). All Theses and Dissertations. 6526. https://scholarsarchive.byu.edu / etd / 6526
9. Hung E., Eslami F., Wilton S. J. E. Escaping the Academic Sandbox: Realizing VPR Circuits on Xilinx Devices. Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM), 2013.
10. Hung E. Examining where academic FPGA tools lag behind industry. Field Programmable Logic and Applications (FPL). 2015.
Большая часть работ по академическим архитектурам и исследованиям САПР выполняется с использованием инструмента размещения и трассировки в базис ПЛИС VPR (Versatile Place and Route). Изначально в VPR версии 5.0 не было встроенных средств логического синтеза. Впоследствии VPR вошел в состав САПР VTR 8.0 (Verilog to Routing), который является совместной разработкой трех университетов: Торонто (Канада), Нью-Брансвика (Канада) и Калифорнийского в Беркли (США) [1–6].[1]
В некоторых индустриальных САПР ПЛИС предусмотрена возможность связи с академическими САПР. Например, САПР Altera с помощью программного интерфейса Quartus II University Interface Program (QUIP) производит выгрузку несложных HDL-проектов для некоторых серий ПЛИС в формате blif (Berkeley Logic Interchange Format), который поддерживается многими инструментами с открытым кодом. Это позволяет выполнить оценку HDL-проектов, реализованных с помощью указанных инструментов. Для этого извлекают информацию о задержках в критичных путях и сравнивают с данными, полученными для HDL-проектов, созданных с помощью индустриальных САПР.
В САПР VTR 8.0 предусмотрены различные архитектурные xml-файлы, которые позволяют разрабатывать и исследовать ПЛИС, близкие по техническим характеристикам к ПЛИС компании Altera (Intel FPGA) серии Stratix IV с адаптивными логическими элементами, умножителями и блоками памяти. В документации к VTR 8.0 приводится фрагмент архитектурного файла, описывающий секцию конфигурационных логических блоков (КЛБ) ПЛИС компании Xilinx серии Virtex‑6.
В xml-файлах используются различные конструкции языка, позволяющие создавать как логические блоки, так и межсоединения. Логические блоки необходимы для представления основных логических, вычислительных (умножители) и запоминающих устройств (однопортовая и двухпортовая память) в ПЛИС. Межсоединения обеспечивают связность внутри и между логическими блоками.
Сложные блоки можно создавать посредством иерархии тегов <pb_type>. Межсоединения в ПЛИС описываются с помощью тега <interconnect>. А тег <mode> позволяет строить логические блоки с различными режимами работы: например, блоки памяти ПЛИС могут быть сконфигурированы как 512 Ч 8 или 1 024 Ч 4. Кроме того, с помощью этого тега можно задавать режимы конфигурации умножителя, в частности, один умножитель с размерностью операндов 18 Ч 18 или два умножителя с размерностью 9 Ч 9. Можно построить перестраиваемый логический элемент (в VTR 8.0 логический элемент принято обозначать BLE), таблица перекодировки (LUT) которого функционирует в двух режимах – как одна 6-входовая или как две 5-входовых с тремя общими входами [4, 5].
На рис. 1 показана внутрикластерная (локальная) коммутация в используемом в VTR 8.0 КЛБ академической ПЛИС с применением коммутатора 60 Ч 60. КЛБ состоит из 10 ЛЭ (BLE), а ЛЭ имеет 6-входовую перестраиваемую таблицу перекодировок, которая может быть сконфигурирована как 6-входовая LUT или как две 5-входовых LUT с пятью общими входам.
Используемый в VTR синтаксический анализатор ODIN-II на основе описания архитектуры в XML-файле определяет гетерогенные блоки (умножители и блоки памяти) с точки зрения входов, выходов и возможной конфигурации, а также создает файл в blif-формате, где описаны логика устройства и черные ящики, которые определяют соединения с остальной частью системы.
С помощью программного инструмента ABC проводятся аппаратно-независимая логическая оптимизация схемы и технологическое отображение (размещение в логические боки) в базис LUT ПЛИС.
Выделяют следующие этапы обработки Verilog-кода синтезатором ODIN-II: построение абстрактного синтаксического дерева (AST), препроцессинг, оптимизация AST, конвертация AST в плоский нетлист и его дальнейшая оптимизация, частичное отображение в базис ПЛИС (рис. 2).
Затем логическая сеть отображается на целевой размер LUT ПЛИС. ABC не использует информацию о целевой архитектуре ПЛИС, кроме размера LUT. Результирующая логическая сеть отображается в технологический базис ПЛИС. ABC выводит оптимизированный и обработанный blif-файл.
VPR, который является ядром VTR, обеспечивает размещение кластеров и гетерогенных блоков на кристалле, оптимально организует глобальные и локальные трассировочные ресурсы для меж- и внутрикластерной связи логических блоков. КЛБ размещаются по алгоритму «имитация отжига», который может быть реализован на основе четырех ключевых компонентов: представления состояния текущего решения, набора перемещений из одного состояния в другое, целевой функции стоимости для оценки каждого состояния и схемы охлаждения, определяющей переход от начального поиска к локальной оптимизации.
Для разводки электрических связей в VPR используется модифицированный алгоритм PathFinder для выполнения полного либо управляемого процесса трассировки. VPR может выполнять трассировку Verilog-проекта с заданной шириной трассировочного канала или определить необходимую для этого минимальную ширину.
В [7] VTR доработан до возможности генерации синтезируемой RTL-модели архитектуры академической ПЛИС и битового потока для этой архитектуры. Текущие ограничения учитывают только то, что архитектурный файл позволяет создать гомогенную ПЛИС с системой коммутации, как у ПЛИС серии Stratix III, без использования блоков памяти и умножителей. Но это многообещающий шаг к более легкой разработке пользовательских архитектур. Предполагается, что RTL-модель подойдет для проектирования ПЛИС по 65-нм технологическому КМОП-процессу кремниевой фабрики TSMC с использованием метода стандартных ячеек.
Для исследования ПЛИС применяется еще один инструмент с открытым кодом – RapidSmith, который обеспечивает возможность подключения VPR к коммерческим ПЛИС Xilinx. В настоящее время доступна версия RapidSmith 2 с новым упаковочным инструментом RSVPack, позволяющим принимать информацию со стадии синтеза в САПР Xilinx с поддержкой Vivado для новых серий ПЛИС [7, 8].
ПО RapidSmith содержит новый набор инструментов и API для исследования, создания и тестирования новых алгоритмов размещения и трассировки на индустриальных ПЛИС Xilinx. RapidSmith, написанный на Java, основан на языке XDL. Интерфейс QUIP САПР Quartus II напоминает XDL, однако QUIP, в отличие от инструмента Xilinx xdl, не предоставляет сведения, необходимые для построения детальной трассировки.
К сожалению, XDL не совсем понятен многим пользователям и его потенциал часто не реализуется. RapidSmith способен преодолеть некоторые проблемы использования языка XDL, которые затрудняли его применение в прошлом.
XDL представляет собой читаемый формат ASCII, совместимый с более широко распространенным форматом NCD (Native Circuit Description) – двоичным форматом Xilinx. XDL обладает большей частью возможностей NCD, и Xilinx предоставляет исполняемый файл xdl, который может преобразовывать проекты NCD в XDL и обратно.
XDL и NCD являются встроенными форматами Netlist Xilinx для описания и представления проектов ПЛИС Xilinx. XDL – это интерфейс, используемый RapidSmith для размещения и извлечения информации о проекте в разных точках маршрута проектирования ПЛИС Xilinx (рис. 3).
RapidSmith преобразует «нечитаемый двоичный формат» NCD-файла, применяемого на различных стадиях проектирования ПЛИС (размещение, трассировка) в удобочитаемый эквивалент XDL-формата (текстовый XDLRC-файл) для последующего синтаксического анализа, манипуляций и экспорта (см. рис. 3). Однако XDL-формат Xilinx не поддерживается внешними средствами. XDLRC-файл содержит описание ресурсов ПЛИС в терминах архитектур Xilinх (КЛБ, блоки ввода-вывода, программируемые межсоединения, блочная память, ЦОС-блоки, микропроцессорные ядра, например PowerPC) и их межсоединений. На рис. 4 показан фрагмент XDLRC-файла, включающий такие конструкции, как логические плитки (tiles, это могут быть как КЛБ, так и умножители, блоки памяти), узлы (primitive site, например секции в КЛБ SLICEL или SLICEM), межсоединения (wire), программируемые точки межсоединений (PIP) внутри маршрутизаторов на мультиплексорных структурах. Логическая плитка состоит из одного или нескольких узлов, а узлы, в свою очередь, – из нескольких базовых логических элементов (BLE), связанных мультиплексорами. Таким образом, в ПЛИС Xilinx используется трехуровневая иерархия: плитка, узел и базовый логический элемент.
Программный модуль XST САПР Xilinx ISE объединяет в себе процесс синтеза и технологического отображения, модуль map – упаковку ЛЭ в секции КЛБ и размещение (секции, сформированные на этапе map, получают свои места в матрице КЛБ), модуль par – трассировку между КЛБ и другими блоками. На рис. 3 показаны точки в цепочке программных модулей ISE, в которых NCD-файлы преобразуются в XDL-файлы. Модуль map читает файл NGC после синтеза, технологического отображения и записывает результат в файл NCD (placed). Трассировщик par читает файл NСD (placed) на стадии размещения и записывает результат своей работы в файл NCD (routed) [8].
Подобно предусмотренному в VTR упаковщику AAPack, упаковщик RSVPack в ПО RapidSmith 2 использует «жадный» эвристический алгоритм упаковки, что позволяет применять эти инструменты в составе САПР для разработки архитектур ПЛИС, схожих с индустриальными ПЛИС, такими как Virtex 6. RSVPack поддерживает упаковку таких блоков, как мультиплексоры F7 / F8, LUTRAM (LUT в режиме ОЗУ) и SRL (LUT как сдвиговый регистр) в секции SLICEM.
VTR не читает синтезированный список соединений от синтезатора XST САПР Xilinx ISE, так как использует синтезатор ODIN II. Поэтому на основе ПО RapidSmith был разработан программный инструмент VTR to Bitstream (VTB), позволяющий реализовывать созданные в VTR академические ПЛИC в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx [8].
Комбинации файлов упаковочного списка соединений (.net), размещения (.place) и трассировки может быть достаточно для того, чтобы VPR генерировал битовый поток, но в архитектурном XML-файле ПЛИС отсутствует определение того, как будет реализована конфигурация каждой логической функции, трассировки и гетерогенных блоков в целевой ПЛИС. ПО RapidSmith читает эти файлы и сопоставляет их с популярными сериями ПЛИС Xilinx для генерации битового потока с применением инструментов манипулирования битовым потоком САПР Xilinx.
Программный инструмент VTR to Bitstream использует тот же архитектурный файл – blif-файл (LUT плюс триггеры), созданный с помощью ABC, что и VTR после аппаратно-независимой логической оптимизации и технологического отображения в базис LUT, net-файл (упаковка LUT и триггеров в КЛБ и их соединения), файл размещения в формате.place, созданный VPR, и выдает файл в формате .xdl. С помощью исполняемого файла xdl формат .xdl преобразуется в двоичный формат.ncd, который используется в САПР Xilinx ISE. Затем САПР Xilinx ISE выполняет трассировку и генерацию битового потока (файл .bit) для программирования ПЛИС (рис. 5).
Для реализации в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx серии Virtex‑6 необходимо изменить базовый КЛБ, используемый в САПР VTR 8.0. В [9] предлагается модель КЛБ с разряженным коммутатором (рис. 6). В более поздних экспериментах с архитектурами [10] были введены аппаратные сумматоры на выходах LUT (XADDER) для организации вертикальных цепей переноса для каскадирования сумматоров, а также доработана модель трассировочных ресурсов с использованием однонаправленных и двунаправленных межсоединений с различной длиной сегментации, проходящих непрерывно через L = 1, 2, 4 и 16 кластеров в горизонтальном, вертикальном, диагональном и изогнутых направлениях (рис. 7). Для более точного соответствия индустриальным ПЛИС серии Virtex‑6 локальные коммутаторы в КЛБ вынесены в маршрутизаторы трассировочных каналов.
В [10] исследовалось использование программных инструментов VTR, Yosys и VTR to Bitstream (рис. 8) в виде маршрутов проектирования (маршруты 2, 3, 4, 5) и программных модулей индустриального САПР Xilinx ISE (маршрут 1) при реализации Verilog-проектов в базис индустриальных ПЛИС Xilinx серии Virtex‑6.
В маршрутах 3, 4 и 5 используется новая версия программного инструмента VTR to Bitstream V2 с RapidSmith. Маршрут 2 предполагает совместное использование Yosys / ABC c последующим применением утилит map и par и трассировкой связей между сигналами секций САПР Xilinx ISE. Входным файлом утилиты ngdbuild является edif-файл, формируемый Yosys. Выходной файл утилиты par – .ncd, который преобразуется утилитой bitgen в битовый поток .bit. Маршрут 3 использует связку Yosys + VPR + par, маршрут 4 – Yosys + VPR, маршрут 5 – VTR, маршрут 1 – утилиты ISE. Проводились тесты производительности (Verilog-проекты) bgm, stereo2, mcml, des50, LU32PE и AESx3.
В качестве оценки выбиралось среднее геометрическое значение числа задействованных секций КЛБ ПЛИС Viertex‑6 XC6VLX240t тестов производительности для разных маршрутов (метрика Geomean). Максимальный разрыв метрики для маршрутов 2, 3 и 4 по отношению к метрике маршрута 1 с использованием утилит ISE составляет 82%.
Как показал статистический анализ временных задержек с помощью утилиты Xilinx TRCE для маршрутов 1, 2, 3, 4, на этапе синтеза задержки при реализации Verilog-проектов в базис ПЛИС Virtex‑6 XC6VLX240t для маршрута 2 больше на 31% относительно маршрута 1, на этапе кластеризации и размещения – на 10% и на этапе трассировки – на 15%. Следовательно, VTR производит синтез более низкого качества, чем САПР Xilinx ISE. В ходе тестирования выяснилось, что ODIN II не может синтезировать проекты des50 и AESx3, а Yosys синтезирует все шесть проектов. Кроме того, в процессе синтеза HDL-кода может образовываться избыточная (неиспользуемая) логика и наблюдаться рост числа используемых LUT и триггеров в проекте, в результате снижается рабочая частота проекта. Например, в документации на САПР Quartus II рекомендуется в некоторых случаях повторный синтез проекта, то есть перевод синтезированного проекта обратно на вентильный уровень и последующий синтез с помощью другого индустриального синтезатора, например Synplify Pro от Synopsys. Считается, что повторный синтез позволяет сократить число используемых логических ресурсов ПЛИС на 4–5%. Для оставшихся четырех проектов VTR показал повышенное число секций КЛБ при реализации в базисе ПЛИС Virtex‑6 XC6VLX240t.
* * *
В заключение отметим, что САПР VTR 8.0 позволяет задавать и исследовать сегментацию межсоединений и топологию маршрутизаторов в трассировочных каналах, внутрикластерную коммутацию, структуру логических элементов, коммутацию внутри логического элемента, размеры LUT, различные связи, например между блоками памяти и умножителями в ПЛИС, строить планировку кристалла и многое другое.
Однако VTR не может генерировать битовый поток и не предоставляет средств для создания RTL-моделей архитектур академических ПЛИС, что не позволяет по структурному Verilog-коду синтезировать физическую топологию кристалла для последующего его изготовления.
В то же время предприняты успешные попытки доработки VTR для генерации RTL-моделей в базисе заказных БИС. Использование ПО RapidSmith позволяет создавать различные инструменты для исследования академических ПЛИС в базисе индустриальных ПЛИС Xilinx. Тем не менее, как отмечает ряд исследователей, реализация ПЛИС серии Virtex‑6 в VTR сопряжена с большими трудностями, так как некоторые особенности ЛЭ Virtex‑6 не поддерживаются синтезом VTR, например мультиплексоры F7 / F8, LUTRAM (LUT в режиме ОЗУ) и SRL (LUT как сдвиговый регистр) в секции SLICEM.
ЛИТЕРАТУРА
1. Luu J., Anderson J., Rose J. Architecture Description and Packing for Logic Blocks with Hierarchy, Modes and Complex Interconnect. – FPGA‘11, February 27 – March 1, 2011, Monterey, California, USA.
2. Luu J., Goeders J., Wainberg M. and others. VTR7.0: Next Generation Architecture and CAD System for FPGAs. – ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems, Vol. 7, No. 2, Article 6, Publication date: June 2014.
3. Verilog-to-Routing Documentation. Release 7.0.7. Aug 23, 2017.
4. Строгонов А., Цыбин С., Городков П. САПР VTR7 для проектирования академических ПЛИС // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
5. Строгонов А., Городков П. Реализация Verilog-проектов в базисе академических ПЛИС с применением САПР VTR7.0 // Компоненты и технологии. 2017. № 5.
6. Строгонов А., Городков П. САПР VTR8 как инструмент исследования новых архитектур ПЛИС // Компоненты и технологии. 2017. № 10.
7. Kim J.H., Anderson J. H. Synthesizable Standard Cell FPGA Fabrics Targetableby the Verilog-to-Routing CAD Flow. ACM Trans. Reconfigurable Technol. Syst. 10, 2, Article 11 (April 2017), 23 pages. DOI: http://dx.doi.org / 10.1145 / 3024063
8. Haroldsen T. D. Academic Packing for Commercial FPGA Architectures (2017). All Theses and Dissertations. 6526. https://scholarsarchive.byu.edu / etd / 6526
9. Hung E., Eslami F., Wilton S. J. E. Escaping the Academic Sandbox: Realizing VPR Circuits on Xilinx Devices. Field-Programmable Custom Computing Machines (FCCM), 2013.
10. Hung E. Examining where academic FPGA tools lag behind industry. Field Programmable Logic and Applications (FPL). 2015.
Отзывы читателей
