一文詳解FPGA設(shè)計的七大原則

01面積與速度的平衡與互換原則

面積通常指一個設(shè)計消耗FPGA/CPLD的邏輯資源的數(shù)量，通常用可消耗的FF(觸發(fā)器)和LUT(查找表)來衡量。速度指設(shè)計在芯片上穩(wěn)定運(yùn)行所能達(dá)到的最高頻率，這個頻率由設(shè)計的時序狀況來決定，以及設(shè)計滿足的時鐘要求：PAD to PAD time 、Clock Setup Time、Clock Hold Time、Clock-to-Output Delay等眾多時序特征量密切相關(guān)，具體示意圖如下圖所示：

要求同時具備設(shè)計面積最小、運(yùn)行頻率最高是不現(xiàn)實(shí)的。更科學(xué)的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該是在滿足設(shè)計時序要求(包括對設(shè)計頻率要求)的前提下，占用最小的芯片面積?；蛘咴谒?guī)定的面積下，使設(shè)計的時序余量更大、頻率跑得更高。這兩種目標(biāo)充分體現(xiàn)了面積和速度的平衡思想。

作為矛盾的兩個組成部分，面積和速度的地位是不一樣的。相比之下，滿足時序、工作頻率的要求更重要一些，當(dāng)兩者沖突時，采用速度優(yōu)先的準(zhǔn)則。

02硬件和系統(tǒng)原則

硬件原則主要針對HDL代碼編寫而言：Verilog是采用了C語言形式的硬件的抽象，它的本質(zhì)作用在于描述硬件;它的最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果是芯片內(nèi)部的實(shí)際電路。所以評判一段HDL代碼優(yōu)劣的最終標(biāo)準(zhǔn)是：其描述并實(shí)現(xiàn)的硬件電路性能，包括面積和速度兩個方面。

評價一個設(shè)計的代碼水平較高，僅僅是說這個設(shè)計是由硬件向HDL代碼這種表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)換更加流暢、合理。而一個設(shè)計最終性能，在更大程度上取決于設(shè)計工程師所構(gòu)想的硬件實(shí)現(xiàn)方案的效率以及合理性。(HDL代碼僅僅是硬件設(shè)計的表達(dá)形式之一)。

初學(xué)者片面追求代碼的整潔、簡短是錯誤的，是與HDL的標(biāo)準(zhǔn)背道而馳的。正確的編碼方法首先要做到對所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路胸有成竹，對該部分的硬件的結(jié)構(gòu)和連接十分清晰，然后再用適當(dāng)?shù)腍DL語句表達(dá)出來即可。

系統(tǒng)原則包含兩個層次的含義：更高層面上看，是一個硬件系統(tǒng)，一塊單板如何進(jìn)行模塊劃分和任務(wù)分配、什么樣的算法和功能適合放在FPGA里面實(shí)現(xiàn)、什么樣的算法和功能適合放在DSP/CPU里面實(shí)現(xiàn)、以及FPGA的規(guī)模估算數(shù)據(jù)接口設(shè)計等。具體到FPGA設(shè)計就要對設(shè)計的全局有個宏觀上的合理安排，比如時鐘域、模塊復(fù)用、約束、面積、速度等問題，在系統(tǒng)上模塊的優(yōu)化最為重要。

一般來說實(shí)時性要求高，頻率快的功能模塊適合FPGA實(shí)現(xiàn)。而FPGA和CPLD相比，更適合實(shí)現(xiàn)規(guī)模較大、頻率較高、寄存器較多的設(shè)計。使用FPGA/CPLD設(shè)計時，應(yīng)該對芯片內(nèi)部的各種底層硬件資源和可用的設(shè)計資源有一個較深刻的認(rèn)識。

03同步設(shè)計原則

異步電路的邏輯核心是用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，比如異步的FIFO/RAM讀寫信號，地址譯碼等電路。電路的主要信號、輸出信號等并不依賴于任何一個時鐘性信號，不是由時鐘信號驅(qū)動FF產(chǎn)生的。異步時序電路的最大缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生毛刺，毛刺產(chǎn)生的機(jī)理主要有爭和冒險導(dǎo)致毛刺、組合延時和布線延時不平衡導(dǎo)致譯碼輸出毛刺以及線間的信號耦合導(dǎo)致毛刺。具體如下圖所示：

同步時序電路的核心邏輯是用各種各樣的觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，電路的主要信號、輸出信號都是由某個時鐘沿驅(qū)動觸發(fā)器產(chǎn)生出來的。同步時序電路可以很好的避免毛刺。

同步時序電路的延時一般是通過時序控制完成的，換句話說，同步時序電路的延時被當(dāng)做一個電路邏輯來設(shè)計。對于比較大的和特殊定時要求的延時，一般用高速時鐘產(chǎn)生一個計數(shù)器，通過計數(shù)器的計數(shù)控制延遲;對于比較小的延時，可以用D觸發(fā)器打一下，這種做法不僅僅使信號延時了一個時鐘周期，而且完成了信號與時鐘的初次同步，在輸入信號采樣和增加時序約束余量中使用。

同步時序電路的時鐘如何產(chǎn)生?時鐘的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接決定著同步時序電路的性能。輸入信號的同步時序電路要求對輸入信號進(jìn)行同步化，如果輸入數(shù)據(jù)的節(jié)拍和本級芯片的處理時鐘同頻，并且建立保持時間匹配，可以直接用本級芯片的主時鐘對輸入數(shù)據(jù)寄存器采樣，完成輸入數(shù)據(jù)的同步化。如果輸入數(shù)據(jù)和本級芯片的處理時鐘是異步的，特別是頻率不匹配的時候，則要用處理時鐘對輸入數(shù)據(jù)做兩次寄存器采樣，才能完成輸入數(shù)據(jù)的同步化。

是不是定義為Reg型，就一定綜合成寄存器，并且是同步時序電路呢?答案是否定的。Verilog中最常用的兩種數(shù)據(jù)類型Wire和Reg，一般來說，Wire型指定輸數(shù)據(jù)和網(wǎng)線通過組合邏輯實(shí)現(xiàn)，而reg型指定的數(shù)據(jù)不一定就是用寄存器實(shí)現(xiàn)。

04乒乓操作及串并轉(zhuǎn)換設(shè)計

“ 乒乓操作 ”是一個常常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理技巧。乒乓操作的處理流程為：輸入數(shù)據(jù)流通過“ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ”將數(shù)據(jù)流等時分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲模塊，比較常用的存儲單元為雙口 RAM(DPRAM) 、單口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。

在第一個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 1”;在第 2 個緩沖周期，通過“ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 2”，同時將“ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 1”緩存的第 1 個周期數(shù)據(jù)通過“ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ”的選擇，送到“ 數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊 ”進(jìn)行運(yùn)算處理;在第 3 個緩沖周期通過“ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ”的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 1”，同時將“ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 2”緩存的第 2 個周期的數(shù)據(jù)通過“ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ”切換，送到“ 數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊 ”進(jìn)行運(yùn)算處理。如此循環(huán)。

典型的乒乓操作方法

乒乓操作的最大特點(diǎn)是，通過輸入數(shù)據(jù)選擇單元和輸出數(shù)據(jù)選擇單元進(jìn)行運(yùn)算和處理。把乒乓操作模塊當(dāng)成一個整體，站在兩端看數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)流都是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對數(shù)據(jù)流進(jìn)行流水線式處理。所以乒乓操作常常應(yīng)用于流水線式算法，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理。另外，巧妙運(yùn)用乒乓操作還可以達(dá)到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。如下圖所示：

從理論上講，如果一個設(shè)計時序余量較大，所能跑的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計要求，那么就通過功能模塊的復(fù)用來減少整個設(shè)計消耗的芯片面積，這就是用速度的優(yōu)勢換取面積的節(jié)約。反之，如果一個設(shè)計的時序要求很高，普通方法達(dá)不到設(shè)計頻率，那么一般可以通過將數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個操作模塊，對整個設(shè)計采取乒乓操作和串并轉(zhuǎn)換的思想運(yùn)行。

串并轉(zhuǎn)換是 FPGA 設(shè)計的一個重要技巧，它是數(shù)據(jù)流處理的常用手段，也是面積與速度互換思想的直接體現(xiàn)。串并轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)的排序和數(shù)量的要求，可以選用寄存器、 RAM 等實(shí)現(xiàn)。

前面在乒乓操作的圖例中，就是通過 FIFO 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，而且由于使用了 FIFO ，數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)可以開得很大，對于數(shù)量比較小的設(shè)計可以采用寄存器完成串并轉(zhuǎn)換。如無特殊需求，應(yīng)該用同步時序設(shè)計完成串并之間的轉(zhuǎn)換。比如數(shù)據(jù)從串行到并行，數(shù)據(jù)排列順序是高位在前，可以用下面的編碼實(shí)現(xiàn)：prl_temp<={prl_temp,srl_in}。其中， prl_temp 是并行輸出緩存寄存器， srl_in 是串行數(shù)據(jù)輸入。對于排列順序有規(guī)定的串并轉(zhuǎn)換，可以用 case 語句判斷實(shí)現(xiàn)。對于復(fù)雜的串并轉(zhuǎn)換，還可以用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。串并轉(zhuǎn)換的方法比較簡單，在此不必贅述。

05流水線操作設(shè)計思想

流水線處理是高速設(shè)計中的一個常用設(shè)計手段。如果某個設(shè)計的處理流程分為若干步驟，而且整個數(shù)據(jù)處理是“ 單流向 ”的，即沒有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個步驟的輸出是下一個步驟的輸入，則可以考慮采用流水線設(shè)計方法來提高系統(tǒng)的工作頻率。

流水線設(shè)計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。其基本結(jié)構(gòu)為：將適當(dāng)劃分的 n 個操作步驟單流向串聯(lián)起來。流水線操作的最大特點(diǎn)和要求是，數(shù)據(jù)流在各個步驟的處理從時間上看是連續(xù)的，如果將每個操作步驟簡化假設(shè)為通過一個 D 觸發(fā)器 ( 就是用寄存器打一個節(jié)拍 ) ，那么流水線操作就類似一個移位寄存器組，數(shù)據(jù)流依次流經(jīng) D 觸發(fā)器，完成每個步驟的操作。

流水線設(shè)計的一個關(guān)鍵在于整個設(shè)計時序的合理安排，要求每個操作步驟的劃分合理。如果前級操作時間恰好等于后級的操作時間，設(shè)計最為簡單，前級的輸出直接匯入后級的輸入即可;如果前級操作時間大于后級的操作時間，則需要對前級的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級輸入端;如果前級操作時間恰好小于后級的操作時間，則必須通過復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級對數(shù)據(jù)采用存儲、后處理方式，否則會造成后級數(shù)據(jù)溢出。

流水線處理方式之所以頻率較高，是因?yàn)閺?fù)制了處理模塊，它是面積換取速度思想的又一種具體體現(xiàn)。

06異步時鐘處理原則

許多系統(tǒng)要求在同一設(shè)計內(nèi)采用多時鐘，最常見的例子是“兩個異步微處理器之間的接口”或“微處理器和異步通信通道的接口”。由于兩個時鐘信號之間要求一定的建立和保持時間， 所以上述應(yīng)用引進(jìn)了附加的定時約束條件， 它們會要求將某些異步信號同步化。

如果一個系統(tǒng)中存在多個獨(dú)立(異步)時鐘，并且存在多時鐘域(clock domain)之間的信號傳輸，那么電路會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。具體如下圖所示：

在許多應(yīng)用中只將異步信號同步化還是不夠的，當(dāng)系統(tǒng)中有兩個或兩個以上非同源時鐘的時候，數(shù)據(jù)的建立和保持時間很難得到保證，設(shè)計人員將面臨復(fù)雜的時間分析問題。最好的方法是將所有非同源時鐘同步化。這時就需要使用帶使能端的D觸發(fā)器， 并引入一個高頻時鐘來實(shí)現(xiàn)信號的同步化。具體如下圖所示：

07數(shù)據(jù)接口的同步原則

數(shù)據(jù)接口的同步是 FPGA/CPLD 設(shè)計的一個常見問題，也是一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，很多設(shè)計不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問題。輸入、輸出的延時 ( 芯片間、 PCB 布線、一些驅(qū)動接口元件的延時等 ) 不可測，或者有可能變動的條件下，如何完成數(shù)據(jù)同步?對于數(shù)據(jù)的延遲不可測或變動，就需要建立同步機(jī)制，可以用一個同步使能或同步指示信號。另外，使數(shù)據(jù)通過 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以達(dá)到數(shù)據(jù)同步目的。

設(shè)計數(shù)據(jù)接口同步是否需要添加約束?建議最好添加適當(dāng)?shù)募s束，特別是對于高速設(shè)計，一定要對周期、建立、保持時間等添加相應(yīng)的約束。這里附加約束的作用有兩點(diǎn)：提高設(shè)計的工作頻率，滿足接口數(shù)據(jù)同步要求;獲得正確的時序分析報告。

總 結(jié)

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該明確如下觀點(diǎn)：

無論是ASIC、FPGA還是DSP，都只是一種實(shí)現(xiàn)手段;

無論采用哪種HDL或哪種開發(fā)工具，都不能單純從語言或工具本身作出評價;

關(guān)鍵是看應(yīng)用環(huán)境，只有選擇最適合于應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方式和工具才是最好的設(shè)計方案;

設(shè)計應(yīng)該注重硬件設(shè)計本身，只有先有了良好的設(shè)計，才可能有高效的描述和實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字模擬電路、HDL語言等知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)比了解軟件更重要。比如FPGA一般觸發(fā)器資源豐富，CPLD的組合邏輯資源更加豐富。FPGA/CPLD一般是由底層可編程硬件單元、BRAM、布線資源、可配置IO單元、時鐘資源等構(gòu)成。

原文標(biāo)題：幾個FPGA設(shè)計的重要原則

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審核編輯：湯梓紅