基於模型量化的fpga互聯結構評估方法

2023-07-01 10:49:36 3

專利名稱：基於模型量化的fpga互聯結構評估方法
技術領域：
本發明屬於電子技術領域，涉及FPGA互聯結構的設計，具體涉及基於模型量化的 FPGA互聯結構評估方法。
背景技術：
現代FPGA的硬體結構日趨複雜，評判一款FPGA晶片的性能指標也是多種多樣， FPGA評估系統的目的是為了在指定的優化目標下評估各種FPGA硬體結構設計的優劣，並 最終以此來引導硬體結構設計及改進的方向。傳統的FPGA互聯結構評估方法一般有兩種，一種是憑藉設計人員的經驗進行取 舍，另一種則是將一組標準測試電路通過完整的CAD流程映射到目標結構上來觀察性能。 兩種方法都有明顯的缺點，前者無法充分地搜索和挖掘潛在的FPGA互聯結構，結論較為主 觀；後者雖然精準，但時間代價很大，實際中不太可能進行大規模的搜索。因此對在可接受 時間內能夠大規模評估FPGA互聯結構的方法提出了要求。

發明內容
本發明的目的在於提出一種能減小FPGA互聯結構評估的時間代價，並在大範圍 上保證評估精度的FPGA互聯結構評估方法。本發明提出的FPGA互聯結構評估方法，總體方案如下提取影響FPGA互聯結構的 關鍵參數互聯線種類，互聯通道寬度，連通度，加以整合，對FPGA互聯結構進行綜合建模， 得到信號一次跳躍、兩次跳躍、三次跳躍所能覆蓋的邏輯單元的分布圖，並得到每個所覆蓋 到的邏輯單元的信號允許通過量。在此模型的基礎上，提取量化的指標用於評價互聯結構。 該指標必須覆蓋和區分不同結構中互聯線網種類、互聯通道寬度、連通度的不同對性能帶 來的影響。模型闡述如下對於任何一個模型而言，要評價互聯結構的優劣，都必須體現以 下幾個因素對互聯性能帶來的影響
1互聯線種類。包括傳統的單倍線、2倍線、6倍線等，以及各種為增強互聯能力引入的 各種拐線；
2互聯通道寬度。包括每種互聯線的配置根數； 3通用互聯矩陣的設計。包括各種互聯線之間的連通度和驅動關係。在我們的模型中，對以上幾個因素進行了有機的整合，能夠快速直觀的得到一個 綜合的評價指標。首先，對互聯線種類的體現可以以圖形化的方式來說明。下面以一個類似於 Xilinx Virtex5系列的對稱對角互聯結構為例，如圖1所示。圖中的一個方塊代表一個基 本的可編程邏輯單元(CLB)。以圖中圓形的CLB為原點出發，根據給定的互聯線種類，經過 一次跳躍(HOP)能夠遍歷到的CLB用方形標出。類似的，圖中的菱形和星形CLB分別表示 經過兩次和三次跳躍所能遍歷到的CLB。顯而易見，如果給定不同的互聯線種類的組合，那麼從紅色CLB出發，它的一次HOP集合，兩次HOP集合，三次HOP集合在平面上的分布都是 不同的，這種分布直觀地表達了信號在不同的互聯結構中的擴散速度和能力。其次，每種互聯線的配置根數對於互聯結構的性能也會產生影響。在上面的平面 圖中，只體現了信號從源點出發經過若干次跳躍分別能夠到達的位置，但不能體現信號到 達該位置的「帶寬」，即該種互聯結構在該位置能夠提供的信號通過的容量。為了體現這一 點，我們在平面圖的基礎上增加一維，來表示「帶寬」，如圖2所示。最後，連通度在我們的模型中也可以得到體現。通過進一步細分「帶寬」的構成， 我們可以將各種線網之間的連接密度和驅動關係反映出來。連通度本質上反映的是中轉能 力，因此以一次跳躍中轉到兩次跳躍為例，我們可以記錄信號是經過哪種線網到達當前CLB 的，並通過連通度計算出信號可以繼續行走的方向和線路分布，從而得到對應的二次跳躍 後的帶寬。這樣一來，互聯通道寬度和連通度的影響可以統一在「帶寬」中體現出來。有了以上模型，就為提取各種量化指標進行評價提供了可能。本發明的基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法，具體步驟可歸納如下
1)提取影響FPGA互聯結構的關鍵參數
把FPGA互聯結構用統一的形式進行描述，形式上包含互聯線種類，互聯通道寬度，連 通度這三個關鍵參數；
2)對FPGA互聯結構進行圖形化的建模
根據互聯線種類，計算從某個可編程邏輯單元出發，通過一次、兩次、三次跳躍分別能 夠覆蓋到的其他可編程邏輯單元集合。在此基礎上，根據互聯通道寬度和連通度，計算出到 達集合中任一單元的信號最大通過量。其中
計算跳躍次數的方法為，統計所有互聯線網能輻射到的邏輯單元位置，那些能被一次 輻射到的位置即為一次跳躍集合；同理，從一次跳躍集合中的邏輯單元出發，再統計一次所 有互聯線網能輻射到的位置，即為二次跳躍集合，依次類推。信號最大通過量的計算方式 為，對於每一個邏輯單元位置，把所有能輻射到該位置的互聯線網的數量求和；
3)定義量化指標
在模型基礎上可自定義量化指標，該指標滿足的條件為必須覆蓋和區分不同結構中 互聯線網種類、互聯通道寬度、連通度的不同對性能帶來的影響。以我們提出的「平均跳躍 次數」指標為例，就能很好地滿足以上條件；
4)通過選定互聯線網種類，我們能夠自動遍歷枚舉出所有可能的線網組合方式，從而 得到大批量的FPGA互聯結構。然後針對每一種結構重複步驟1) 3)，根據步驟3)中定義 的指標作為每種結構的得分，然後進行排序，從而篩選出較為優化的結構，指導後期更詳細 的互聯設計。上述方法中，步驟1)所述的對FPGA互聯結構採用統一參數化方式進行描述，參數 至少包含互聯線種類，互聯通道寬度，連通度。上述方法中，步驟2)所述的對FPGA互聯結構進行三維建模，其中XY平面反映一 次、兩次、三次跳躍能到達的可編程邏輯單元，Z軸反映到達該單元的允許信號量。上述方法中，步驟3)所述的從模型中提取的量化指標是自定義的。上述方法中，步驟4)是利用平均跳躍次數指標來大規模地篩選FPGA互聯結構。技術效果本發明方法極大地加快了 FPGA互聯結構的評估，時間代價與通過傳統的完整CAD流程相比可以忽略不計，同時保證了評估的準確性。


圖1信號跳躍次數模型示意圖。圖2 「帶寬」模型示意圖。圖3觀察窗口權重函數示意圖。圖4理論模型與實測數據變化趨勢。
具體實施例方式下面以「平均跳躍次數」的統計為例進一步闡述本發明，但不構成對本發明的限制 顧名思義，「平均跳躍次數」是指在一定區域內，信號到達該區域內任一
CLB所需要的跳躍次數的加權平均值。該指標內含了三個可變參數，公式如下
+ [Hop(x, y) Λ-1]*NSigfudUftpassed(χ, ν)
NFestSigvd, NTestSsgrnl <= Sig^ialChpuciiy (χ, γ) I<!SigmlPass€d(x, y)- <第二個參數是「測試信號量」(NT磁—I )，即用於測試互聯性能的信號的數目。 信號量的選取應根據實際的benchmark放入FPGA後通道上信號通過量的典型值。如果信 號量太小，則不能反映出各處不同帶寬的鬆緊，如果信號量太大，則導致過度擁擠，與實際 情況不符合。第三個參數是「權重函數」(啦J))，即反映區域內到達某個CLB的跳躍次數在總 平均次數中的權重。因為經過實際CAD流程的優化後，一個線網輻射出的各個CLB總是盡 可能地被放在靠近的位置，所以在評價互聯性能時，我們總是對互聯的局部性能更感興趣，
為了建立一個公平有效的對比平臺，對於以上三個參數，我們採用理論指導結合統計實驗的方式進行了慎重的選取
對於觀察窗口，首先考慮到不同例子的線網輻射範圍是不同的。如果觀察窗口的選 取遠大於或遠小於benchmark的線網平均輻射範圍，那麼模型指標反映的性能將偏離實際 布局布線後的性能很遠。因此，一批benchmark的平均線網輻射範圍決定了觀察窗口的選 取，事實上也是如此，因為一種互聯結構的好壞並沒有絕對客觀的標準，而和用於測試的 benchmark有很大的相關性。我們從學術界通用的MCNC標準測試電路中選取了中等偏大 的20個電路作為我們實驗中的測試電路。通過觀察對這20個MCNC測試電路進行布局後 的統計數據可發現，其線網平均輻射長度為4. 98，。因此我們選取觀察窗口的半徑為5，即 水平垂直都在-5 5的區間內。(此處及後文中相關的長度，都代表Manhattan距離)。對於測試信號量，為了儘可能真實地反映實際電路中信號的通過量，考慮到我們 的CLB模型中含兩個SLICE，每個SLICE包含兩個4輸入LUT，因此從一個CLB到一個CLB 的最大數據信號量為16，再加上控制信號和可能的過路信號，我們選取測試信號量為20。對於權重函數，我們希望該函數隨著範圍的擴大呈快速收斂的趨勢，因為到達越 是外圈的CLB的能力對於互聯性能越不重要，其權重因迅速減小。因此我們設計了如圖3 所示，呈階梯狀下降的權重函數，其橫坐標表示與觀察窗口中心原點的距離，縱坐標為權重 值。根據以上所述的參數值，我們隨機選取了幾種互聯結構計算了平均跳躍次數指 標，其中每種結構都搭配了不同種類的線網組合(比如L1L4表示單倍線和四倍線搭配， L3L8表示三倍線和八倍線搭配)。作為比較，我們同時用完整的CAD流程對這幾種互聯結構 的性能進行測試，測試結果歸一化後與我們的模型得出的指標值進行了對比，如圖4所示。圖4中方塊構成的曲線為模型指標得到的每種結構性能的相對變化，菱形塊構成 的曲線為實測得到的每種結構性能的相對變化。我們可以發現，通過上述兩種完全不同的 方式獲得的數據在評估結構性能方面表現出了很好的一致性，在理論模型中排名前列的結 構，其實際測試的結果也同樣表現優異，這說明使用我們的理論模型能夠迅速地從潛在的 互聯結構集合中篩選出一批較優化的結構，指導進一步地詳細設計。表1 =BenchMarks布局後線網平均輻射長度
權利要求
1.基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法，其特徵在於具體步驟為1)提取影響FPGA互聯結構的關鍵參數；把FPGA互聯結構用統一的形式進行描述，形式上必須互聯線種類，互聯通道寬度，連 通度這三個關鍵參數；2)對FPGA互聯結構進行圖形化的建模根據互聯線種類，計算從某個可編程邏輯單元出發，通過一次、兩次、三次跳躍分別能 夠覆蓋到的其他可編程邏輯單元集合；在此基礎上，根據互聯通道寬度和連通度，計算出到 達集合中任一單元的信號最大通過量；3)定義量化指標在模型基礎上自定義量化指標，該指標滿足的條件為必須覆蓋和區分不同結構中互 聯線網種類、互聯通道寬度、連通度的不同對性能帶來的影響；4)通過選定互聯線網種類，自動遍歷枚舉出所有可能的線網組合方式，從而得到大批 量的FPGA互聯結構；然後針對每一種結構重複步驟1) 步驟3)，根據步驟3)中定義的指 標作為每種結構的得分，然後進行排序，從而篩選出較為優化的結構，指導後期更詳細的互 聯設計。
2.按權利要求1所述的基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法，其特徵是步驟2)所 述的對FPGA互聯結構進行三維建模，其中XY平面反映一次、兩次、三次跳躍能到達的可編 程邏輯單元，Z軸反映到達該單元的允許信號量。
3.按權利要求2所述的基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法，其特徵在於步驟2)中，計算跳躍次數的方法為統計所有互聯線網能輻射到的邏輯單元位 置，那些能被一次輻射到的位置即為一次跳躍集合；同理，從一次跳躍集合中的邏輯單元出 發，再統計一次所有互聯線網能輻射到的位置，即為二次跳躍集合，依次類推；信號最大通 過量的計算方式為對於每一個邏輯單元位置，把所有能輻射到該位置的互聯線網的數量 求和。
4.按權利要求1所述的基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法，其特徵在於自定義量 化指標採用平均跳躍次數指標；步驟4)是利用平均跳躍次數指標來大規模地篩選FPGA互 聯結構，其算式如下
全文摘要
本發明屬於電子技術領域，具體為基於模型量化的FPGA互聯結構評估方法。本發明通過對影響FPGA互聯結構的關鍵因素進行量化建模，並在此模型基礎上提出了一種基於平均跳躍次數統計的評價指標。通過本方法能夠在很短的時間內就遍歷搜索大規模的FPGA互聯結構空間，並保證與通過完整CAD流程得到的評價結果在大範圍上保持一致性。
文檔編號G01R31/3185GK102116841SQ20111000049
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者來金梅, 王健, 王臻, 胡敏, 謝丁, 陳利光 申請人:復旦大學