FPGA設(shè)計(jì)的8大知識(shí)重要分析

1. 面積與速度的平衡與互換

這里的面積指一個(gè)設(shè)計(jì)消耗FPGA/CPLD的邏輯資源的數(shù)量，對(duì)于FPGA可以用消耗的FF（觸發(fā)器）和LUT（查找表）來(lái)衡量，更一般的衡量方式可以用設(shè)計(jì)所占的等價(jià)邏輯門(mén)數(shù)。 速度指設(shè)計(jì)在芯片上穩(wěn)定運(yùn)行所能達(dá)到的最高頻率，這個(gè)頻率由設(shè)計(jì)的時(shí)序狀況來(lái)決定，以及設(shè)計(jì)滿(mǎn)足的時(shí)鐘要求：PAD to PAD time 、Clock Setup Time、Clock Hold Time、Clock-to-Output Delay等眾多時(shí)序特征量密切相關(guān)。 面積和速度這兩個(gè)指標(biāo)貫穿FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的時(shí)鐘，是設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)價(jià)的終極標(biāo)準(zhǔn) ——面積和速度是一對(duì)對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體。 要求一個(gè)同時(shí)具備設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)應(yīng)該是在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)時(shí)序要求（包括對(duì)設(shè)計(jì)頻率的要求）的前提下，占用最小的芯片面積?；蛘咴谒?guī)定的面積下，是設(shè)計(jì)的時(shí)序余量更大、頻率跑的更高。這兩種目標(biāo)充分體現(xiàn)了面積和速度的平衡的思想。 作為矛盾的兩個(gè)組成部分，面積和速度的地位是不一樣的。相比之下，滿(mǎn)足時(shí)序、工作頻率的要求更重要一些，當(dāng)兩者沖突時(shí)，采用速度優(yōu)先的準(zhǔn)則。 從理論上講，如果一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序余量較大，所能跑的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，那么就通過(guò)功能模塊的復(fù)用來(lái)減少整個(gè)設(shè)計(jì)消耗的芯片面積，這就是用速度的優(yōu)勢(shì)換取面積的節(jié)約。反之，如果一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序要求很高，普通方法達(dá)不到設(shè)計(jì)頻率，那么一般可以通過(guò)將數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個(gè)操作模塊，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)采取乒乓操作和串并轉(zhuǎn)換的思想運(yùn)行。

2.硬件原則

硬件原則主要針對(duì)HDL代碼編寫(xiě)而言：Verilog是采用了C語(yǔ)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(píng)判一段HDL代碼的優(yōu)劣的最終標(biāo)準(zhǔn)是：其描述并實(shí)現(xiàn)的硬件電路的性能，包括面積和速度兩個(gè)方面。 評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)計(jì)的代碼水平較高，僅僅是說(shuō)這個(gè)設(shè)計(jì)是由硬件想HDL代碼這種表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)換更加流暢、合理。而一個(gè)設(shè)計(jì)最終性能，在更大程度上取決于設(shè)計(jì)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(jì)的表達(dá)形式之一） 初學(xué)者片面追求代碼的整潔、簡(jiǎn)短，是錯(cuò)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(duì)所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路胸有成竹，對(duì)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(yǔ)句表達(dá)出來(lái)即可。 另外，Verilog作為一種HDL語(yǔ)言，是分層次的。系統(tǒng)級(jí)--算法級(jí)--寄存器傳輸級(jí)--邏輯級(jí)--門(mén)級(jí)--開(kāi)關(guān)級(jí)。構(gòu)建優(yōu)先級(jí)樹(shù)會(huì)消耗大量的組合邏輯，所以如果能夠使用case的地方，盡量使用case代替if.....else......

3. 系統(tǒng)原則

系統(tǒng)原則包含兩個(gè)層次的含義：更高層面上看，是一個(gè)硬件系統(tǒng)，一塊單板如何進(jìn)行模塊花費(fèi)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(jì)等。具體到FPGA設(shè)計(jì)就要對(duì)設(shè)計(jì)的全局有個(gè)宏觀(guān)上的合理安排，比如時(shí)鐘域、模塊復(fù)用、約束、面積、速度等問(wèn)題，在系統(tǒng)上模塊的優(yōu)化最為重要。 一般來(lái)說(shuō)實(shí)時(shí)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(jì)。使用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)芯片內(nèi)部的各種底層硬件資源，和可用的設(shè)計(jì)資源有一個(gè)較深刻的認(rèn)識(shí)。 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(xiàn)資源、可配置IO單元、時(shí)鐘資源等構(gòu)成。 底層可編程硬件單元一般由觸發(fā)器和查找表組成。Xilinx的底層可編程硬件資源較SLICE，由兩個(gè)FF和2個(gè)LUT構(gòu)成。Altera的底層硬件資源叫LE，由1個(gè)FF和1個(gè)LUT構(gòu)成。使用片內(nèi)RAN可以實(shí)現(xiàn)單口RAM、雙口RAM、同步/異步FIFO、ROM、CAM等常用單元模塊。

一般的FPGA系統(tǒng)規(guī)劃的簡(jiǎn)化流程

4. 同步設(shè)計(jì)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(xiě)信號(hào)，地址譯碼等電路。電路的主要信號(hào)、輸出信號(hào)等并不依賴(lài)于任何一個(gè)時(shí)鐘性信號(hào)，不是由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)FF產(chǎn)生的。異步時(shí)序電路的最大缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生毛刺，在布局布線(xiàn)后仿真和用邏輯分析儀觀(guān)測(cè)實(shí)際信號(hào)時(shí)，這種毛刺尤其明顯。 同步時(shí)序電路的核心邏輯用各種各樣的觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，電路的主要信號(hào)、輸出信號(hào)都是由某個(gè)時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生出來(lái)的。同步時(shí)序電路可以很好的避免毛刺，布局布線(xiàn)后仿真，和用邏輯分析儀采樣實(shí)際工作信號(hào)都沒(méi)有毛刺。

是否時(shí)序電路一定比異步電路使用更多的資源呢？從單純的ASCI設(shè)計(jì)來(lái)看，大約需要7個(gè)門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)D觸發(fā)器，而一個(gè)門(mén)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)2輸入與非門(mén)，所以一般來(lái)說(shuō)，同步時(shí)序電路比異步電路占用更大的面積。（FPGA/CPLD中不同，主要是因?yàn)閱卧獕K的計(jì)算方式）

如何實(shí)現(xiàn)同步時(shí)序電路的延時(shí)？異步電路產(chǎn)生延時(shí)的一般方法是插入一個(gè)Buffer、兩級(jí)與非門(mén)等，這種延時(shí)調(diào)整手段是不適用同步時(shí)序設(shè)計(jì)思想的。首先要明確一點(diǎn)HDL語(yǔ)法中的延時(shí)控制語(yǔ)法，是行為級(jí)的代碼描述，常用于仿真測(cè)試激勵(lì)，但是在電路綜合是會(huì)被忽略，并不能啟動(dòng)延時(shí)作用。

同步時(shí)序電路的延時(shí)一般是通過(guò)時(shí)序控制完成的，換句話(huà)說(shuō)，同步時(shí)序電路的延時(shí)被當(dāng)做一個(gè)電路邏輯來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于比較大的和特殊定時(shí)要求的延時(shí)，一般用高速時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制延遲；對(duì)于比較小的延時(shí)，可以用D觸發(fā)器打一下，這種做法不僅僅使信號(hào)延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期，而且完成了信號(hào)與時(shí)鐘的初次同步，在輸入信號(hào)采樣和增加時(shí)序約束余量中使用。

同步時(shí)序電路的時(shí)鐘如何產(chǎn)生？時(shí)鐘的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接決定著同步時(shí)序電路的性能。輸入信號(hào)的同步時(shí)序電路要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行同步化，如果輸入數(shù)據(jù)的節(jié)拍和本級(jí)芯片的處理時(shí)鐘同頻，并且建立保持時(shí)間匹配，可以直接用本級(jí)芯片的主時(shí)鐘對(duì)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(jí)芯片的處理時(shí)鐘是異步的，特別是頻率不匹配的時(shí)候，則要用處理時(shí)鐘對(duì)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(shí)序電路呢？答案的否定的。Verilog中最常用的兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型Wire和Reg，一般來(lái)說(shuō)，Wire型指定書(shū)數(shù)據(jù)和網(wǎng)線(xiàn)通過(guò)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)。

5. 乒乓操作

“ 乒乓操作 ” 是一個(gè)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(guò) “ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ” 將數(shù)據(jù)流等時(shí)分配到兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲(chǔ)模塊，比較常用的存儲(chǔ)單元為雙口 RAM(DPRAM) 、單口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。

在第一個(gè)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(gè)緩沖周期，通過(guò) “ 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(shí)將 “ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 1” 緩存的第 1 個(gè)周期數(shù)據(jù)通過(guò) “ 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(gè)緩沖周期通過(guò) “ 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(shí)將 “ 數(shù)據(jù)緩沖模塊 2” 緩存的第 2 個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過(guò) “ 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(guò)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(gè)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(méi)有任何停頓，因此非常適合對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行流水線(xiàn)式處理。所以乒乓操作常常應(yīng)用于流水線(xiàn)式算法，完成數(shù)據(jù)的無(wú)縫緩沖和處理。 乒乓操作的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約緩沖區(qū)空間。比如在WCDMA基帶應(yīng)用中，1幀是由15個(gè)時(shí)隙組成的，有時(shí)需要將1整幀的數(shù)據(jù)延時(shí)一個(gè)時(shí)隙后處理，比較直接的方法就是將這幀數(shù)據(jù)緩存起來(lái)，然后延時(shí)一個(gè)時(shí)隙，進(jìn)行處理。這時(shí)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度為1幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)，假設(shè)數(shù)據(jù)速率是3.84Mb/s，1幀10ms，此時(shí)需要緩沖區(qū)的長(zhǎng)度是38400bit，如果采用乒乓操作，只需定義兩個(gè)緩沖1時(shí)隙的數(shù)據(jù)RAM，當(dāng)向一個(gè)RAM寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，從另一塊RAM讀數(shù)據(jù)，然后送到處理單元處理，此時(shí)每塊RAM的容量?jī)H需2560bit，2塊加起來(lái)5120bit的容量。

乒乓操作用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流

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。如圖 2 所示，數(shù)據(jù)緩沖模塊采用了雙口 RAM ，并在 DPRAM 后引入了一級(jí)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，這個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理可以根據(jù)需要的各種數(shù)據(jù)運(yùn)算，比如在 WCDMA 設(shè)計(jì)中，對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的解擴(kuò)、解擾、去旋轉(zhuǎn)等。假設(shè)端口 A 的輸入數(shù)據(jù)流的速率為 100Mbps ，乒乓操作的緩沖周期是 10ms 。

6. 串并轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)技巧

串并轉(zhuǎn)換是 FPGA 設(shè)計(jì)的一個(gè)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(guò) DPRAM 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，而且由于使用了 DPRAM ，數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)可以開(kāi)得很大，對(duì)于數(shù)量比較小的設(shè)計(jì)可以采用寄存器完成串并轉(zhuǎn)換。如無(wú)特殊需求，應(yīng)該用同步時(shí)序設(shè)計(jì)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(duì)于排列順序有規(guī)定的串并轉(zhuǎn)換，可以用 case 語(yǔ)句判斷實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(jiǎn)單，在此不必贅述。

7.流水線(xiàn)操作設(shè)計(jì)思想

首先需要聲明的是，這里所講述的流水線(xiàn)是指一種處理流程和順序操作的設(shè)計(jì)思想，并非 FPGA 、 ASIC 設(shè)計(jì)中優(yōu)化時(shí)序所用的 “Pipelining” 。 流水線(xiàn)處理是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用設(shè)計(jì)手段。如果某個(gè)設(shè)計(jì)的處理流程分為若干步驟，而且整個(gè)數(shù)據(jù)處理是 “ 單流向 ” 的，即沒(méi)有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，則可以考慮采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)提高系統(tǒng)的工作頻率。

流水線(xiàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu) 流水線(xiàn)設(shè)計(jì)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(gè)操作步驟單流向串聯(lián)起來(lái)。流水線(xiàn)操作的最大特點(diǎn)和要求是，數(shù)據(jù)流在各個(gè)步驟的處理從時(shí)間上看是連續(xù)的，如果將每個(gè)操作步驟簡(jiǎn)化假設(shè)為通過(guò)一個(gè) D 觸發(fā)器 ( 就是用寄存器打一個(gè)節(jié)拍 ) ，那么流水線(xiàn)操作就類(lèi)似一個(gè)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(gè)步驟的操作。

流水線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)序 流水線(xiàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵在于整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序的合理安排，要求每個(gè)操作步驟的劃分合理。如果前級(jí)操作時(shí)間恰好等于后級(jí)的操作時(shí)間，設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，前級(jí)的輸出直接匯入后級(jí)的輸入即可；如果前級(jí)操作時(shí)間大于后級(jí)的操作時(shí)間，則需要對(duì)前級(jí)的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級(jí)輸入端；如果前級(jí)操作時(shí)間恰好小于后級(jí)的操作時(shí)間，則必須通過(guò)復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)、后處理方式，否則會(huì)造成后級(jí)數(shù)據(jù)溢出。 在 WCDMA 設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到流水線(xiàn)處理的方法，如 RAKE 接收機(jī)、搜索器、前導(dǎo)捕獲等。流水線(xiàn)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)。

8. 數(shù)據(jù)接口的同步方法

數(shù)據(jù)接口的同步是 FPGA/CPLD 設(shè)計(jì)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，也是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，很多設(shè)計(jì)不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問(wèn)題。在電路圖設(shè)計(jì)階段，一些工程師手工加入 BUFT 或者非門(mén)調(diào)整數(shù)據(jù)延遲，從而保證本級(jí)模塊的時(shí)鐘對(duì)上級(jí)模塊數(shù)據(jù)的建立、保持時(shí)間要求。 還有一些工程師為了有穩(wěn)定的采樣，生成了很多相差 90 度的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)而用正沿打一下數(shù)據(jù)，時(shí)而用負(fù)沿打一下數(shù)據(jù)，用以調(diào)整數(shù)據(jù)的采樣位置。這兩種做法都十分不可取，因?yàn)橐坏┬酒聯(lián)Q代或者移植到其它芯片 組的芯片上，采樣實(shí)現(xiàn)必須重新設(shè)計(jì)。而且，這兩種做法造成電路實(shí)現(xiàn)的余量不夠，一旦外界條件變換 ( 比如溫度升高 ) ，采樣時(shí)序就有可能完全紊亂，造成電路癱瘓。

輸入、輸出的延時(shí) ( 芯片間、 PCB 布線(xiàn)、一些驅(qū)動(dòng)接口元件的延時(shí)等 ) 不可測(cè)，或者有可能變動(dòng)的條件下，如何完成數(shù)據(jù)同步？對(duì)于數(shù)據(jù)的延遲不可測(cè)或變動(dòng)，就需要建立同步機(jī)制，可以用一個(gè)同步使能或同步指示信號(hào)。另外，使數(shù)據(jù)通過(guò) RAM 或者 FIFO 的存取，也可以達(dá)到數(shù)據(jù)同步目的。

設(shè)計(jì)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(duì)于高速設(shè)計(jì)，一定要對(duì)周期、建立、保持時(shí)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(jì)的工作頻率，滿(mǎn)足接口數(shù)據(jù)同步要求；獲得正確的時(shí)序分析報(bào)告。

審核編輯：郭婷