FPGA时序问题

Question

我是FPGA编程的新手，我对总体执行时间方面的性能有一个问题。

我读到过延迟是按周期时间计算的。因此，总体执行时间=延迟*周期时间。

我想优化处理数据所需的时间，我将测量总体执行时间。

假设我有一个计算a=b*c* d。

如果我让它在两个周期内计算(result1 =b* c) & (a = result1 * d)，那么总的执行时间将是2*周期时间的延迟(由乘法操作的延迟决定，比方说值X) = 2X

如果我在一个周期内进行计算(a=b*c* d)。总体执行时间将是1*周期时间的延迟(比方说值2X，因为由于两次乘法而不是一次乘法，它具有两倍的延迟)= 2X

因此，似乎为了在执行时间方面优化性能，如果我只关注减少延迟，周期时间将增加，反之亦然。是否存在延迟和周期时间都可以减少的情况，从而导致执行时间减少？什么时候应该专注于优化延迟，什么时候应该专注于周期时间？

此外，当我在C++中编程时，似乎当我想要优化代码时，我想要优化延迟(执行所需的周期)。然而，对于FPGA编程来说，优化延迟似乎是不够的，因为周期时间会增加。因此，我应该专注于优化执行时间(延迟*周期时间)。如果我想提高程序的速度，我这样说对吗？

希望有人能帮我解决这个问题。提前谢谢。

Answer 1

我倾向于认为延迟是从第一次输入到第一次输出的时间。由于通常有一系列数据，因此查看一个接一个地处理多个输入所用的时间是很有用的。

在您的示例中，在一个周期(一个周期= 2t)中处理10个项目a=b x c x d将花费20t。然而，在两个1t周期内完成它，处理10个项目将需要11t。

希望这能有所帮助。

编辑添加计时。

一个2t周期内的计算。10次计算。

Time   0  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  = 20t

Input  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10
Output    1  2  3  4  5  6  7  8  9 10

两个1t周期内的计算，流水线方式，10次计算

Time   0  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  1  = 11t

Input  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10
Stage1    1  2  3  4  5  6  7  8  9 10
Output       1  2  3  4  5  6  7  8  9 10

两个解决方案的延迟都是2t，第一个是一个2t周期，第二个是两个1t周期。然而，第二个解决方案的吞吐量是前者的两倍。一旦考虑到延迟，每1t周期就会得到一个新的答案。

因此，如果您有一个复杂的计算，需要5个1t周期，那么延迟将是5t，但吞吐量仍然是1t。

Answer 2

除了延迟和周期时间之外，您还需要另一个词，即吞吐量。即使需要2个周期才能得到答案，如果您可以在每个周期中放入新数据，并在每个周期中将其取出，则您的吞吐量可以比“在一个周期内完成所有操作”提高2倍。

假设您的计算在一个周期内需要40 ns，因此每秒2500万个数据项的吞吐量。

如果你使用流水线(这是将计算拆分成多个周期的技术术语)，你可以在2批20 is +一点(你必须进入的额外寄存器中损失一点)中完成它。比特是10 ns (这很多，但是计算起来很简单)。因此，现在2x25+10=50 ns =>每秒需要2000万个项目。更糟！

但是，如果您可以使两个阶段彼此独立(在您的情况下，不共享乘法器)，则可以在每个25+a位ns将新数据推送到流水线中。这个“比特”将比前一个更小，但即使它是整个10 ns，你也可以以35 ns的时间或接近30M项/秒的速度推送数据，这比你一开始的时候要好。

在现实生活中，10 ps会少得多，通常是100s的ps，因此增益要大得多。

Answer 3

George准确地描述了含义延迟(不一定与计算时间有关)。看起来你想要优化你的设计来提高速度。这非常复杂，需要很多经验。总的运行时间是

execution_time = (latency + (N * computation_cycles) ) * cycle_time

其中N是要执行的计算次数。如果你为了加速而开发，你应该只在大数据集上计算，即N是大的。通常情况下，你对延迟没有要求(这可能是在实时应用程序中不同)。因此，决定因素是cycle_time和computation_cycles。在这里，它真的很难优化，因为有一种关系。cycle_time是由设计的关键路径决定的，寄存器越少，它就越长。时间越长，cycle_time就越大。但是你拥有的寄存器越多，你的computation_cycles就越高(每个寄存器增加所需的周期数1)。

也许我应该补充一下，延迟通常是computation_cycles的数量(这是造成延迟的第一个计算)，但在理论上这可能是不同的。