Clock Crossing Adapter传输效率分析 （Latency增加，传输效率降低）

原创By DeeZeng [ Intel FPGA笔记 ]

在用Nios II测试 DDR3时候发现一个现象 (测试为：写全片，读全片+比对）

1. 用单独的PLL产生时钟(200MHz)驱动 Nios II,  测试DDR3时间为87s
2. 用 DDR3 IP的 afi_clk(200MHz) 驱动 Nios II,  测试DDR3时间为67s

只是换了个时钟为什么影响这么大？相差近 20s

 分析发现

1. PLL 产生的时钟 和 DDR3 的afi_clk 是两个时钟域
2. Qsys interconnect 会在 Avalon MM 不同时钟域 自动插入 Clock Crossing Adapter
3. Nios II的读写 和 Clock Crossing Adapter 特性造成传输效率低下

接下来将具体分析一下，为什么测试时间会相差那么大：

一、跨时钟域 Qsys自动插入 Clock Crossing Adapter

 1. 当Avalon MM Master  和 Avalon MM Slave 的时钟为不同时钟的时候  （类似Nios II 用pll 200MHz ， DDR3 都用了 afi_clk 200MHz）

 我们将鼠标悬浮在 黑圆点那 可以看到连接信息，并且 红点提示：A Clock Crossing adapter will be inserted

2. 当Avalon MM Master  和 Avalon MM Slave 的时钟为同一个的时候  （类似Nios II 和 DDR3 都用了 afi_clk）

我们将鼠标悬浮在 黑圆点那 可以看到连接信息， 然后不会有Clock Crossing Bridge提示

二、 Clock Crossing Adapter 将增加 多个周期 的 latency

如上两图，可以看出Clock Crossing Adapter的架构 将导致增加几个周期的 latency

三、增加的Latency 对传输效率有什么影响？

 1. 低效率的读写操作，雪上加霜

如果本身传输协议就是如上图这种低效的。 动作半天，只读了一个word。 那增加几个latency后效率变得更低下

举例：

       如果原来4个周期出一个Word， 那效率是 25%

       而加上5个周期 latency后，变为9个周期出一个Word，效率降低为 11%

2. 高效率的读写操作，影响不大

  如果本身传输协议就是如上图这种高效的。 burst传输，只是延迟几个周期

 举例：

        如果原来4个周期出delay，一次传输100个word 耗时 104 ，效率为 96%

        而加上5个周期 latency后，变为109个周期出100 Word，效率降低为 92%

四、Nios II 的读写是什么情况呢？

从上面 一 二 三 点分析，我们已经知道测试时间增长的原因：增加的 Timing Crossing Adapter造成传输效率变低了

经查手册，找到一个 Nios II 的 操作时序图（并非Nios II 操作DDR3的） ，操作 latency4个周期 一次操作8个

举例：

        如果原来4个周期出delay，一次传输8个word 耗时 12，效率为 66%

        插入Timing Adapter 假设增加了5个周期 latency后，变为17个周期出8Word，效率降低为 47%

     （这里只是举例， Nios II操作DDR3实际并非这种时序。 DDR3 -> DDR -> Quarter Bridge ->,

        DDR3的read latency也会随着这些bridge变换。bus变换过程中也增加了Width Adapter等，所以只是简单判断原因 ）

所以 测试DDR3为：写全片，读全片+比对。比对耗时一致。读写变慢导致时间差异

这篇博文的目的：

1. 关注带宽和吞吐量的应用，注意一下这些 Clock Crossing Adapter  和 Pipe Bridge 的添加  （注意到 Bridge有可能降低传输效率这回事）

     分析 bridge带来 fmax 的提升，和效率降低的权衡。 （其实关键就是尽量burst 提升传输效率）

2. 这篇分析 并不是不建议用 Timing Clock Crossing Adapter （注意到 Bridges 还有很多其他作用）

    它还有很多的作用 如 

       1. 提升fmax

       2.调节架构（多个master，多个slave）节省逻辑资源

       3. ...

详细资料请参考：https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/ug/ug-qps-platform-designer.pdf