如何合理優(yōu)化FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)及配方法

如果符合一些簡單的設(shè)計(jì)原則，采用最新的Xilinx7系列FPGA架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)無線通信。Xilinx公司已經(jīng)創(chuàng)建了典型無線數(shù)據(jù)路徑的設(shè)計(jì)范例，表明中速級(-2)器件上使用的幾乎100%的 slice資源都支持500 MHz以上的時(shí)鐘頻率。如何真正時(shí)序高速設(shè)計(jì)，需要注意一下幾點(diǎn)

影響時(shí)鐘頻率的基本規(guī)則

01

DSP48 slice數(shù)與時(shí)鐘速率成反比

一般來說DSP48 slice數(shù)與時(shí)鐘速率成反比。Block RAM資源也按照階躍函數(shù)隨時(shí)鐘速率降低。這在無線電信號處理設(shè)計(jì)中較常見，其中Block RAM基本上用來按照相對高的采樣率存儲(chǔ)大量函數(shù)運(yùn)算的系數(shù)集合，例如，DDS（直接數(shù)字合成器）的正弦/余弦值，峰值抵消脈沖產(chǎn)生器中的CFR （波峰因數(shù)衰減）系數(shù)，或DPD （數(shù)字預(yù)失真）模型中的非線性函數(shù)抽樣。

所以，提供時(shí)鐘頻率能夠降低Slice和BlockRAM的資源利用，當(dāng)時(shí)鐘頻率從368.64轉(zhuǎn)換至491.52 MHz（1.33時(shí)鐘比） ，按照比例LUT和FF的數(shù)據(jù)量分別減少了1.34和1.44倍。將時(shí)鐘速率從245.76放大一倍至491.52 MHz，這些數(shù)據(jù)減少了1.8倍和1.7倍。這種非線性行為基本上是為執(zhí)行信號處理控制邏輯，不需要按照時(shí)鐘頻率進(jìn)行線性放大。

02

信號采樣率也影響資源利用率

采樣速率為25 Msamples/sec的濾波器帶寬在250 MHz運(yùn)行時(shí)與帶寬在500 MHz運(yùn)行時(shí)相比所需的邏輯資源略降低兩倍。采樣速率為500 Msamples/sec的多相實(shí)現(xiàn)帶寬在250 MHz運(yùn)行時(shí)與帶寬在500 MHz時(shí)相比，所需的邏輯資源增加兩倍。對邏輯資源使用的一階估計(jì)是時(shí)鐘頻率增加x倍相當(dāng)于邏輯利用率減少0.85至1.1倍

高速設(shè)計(jì)其他注意事項(xiàng)

01

流水線設(shè)計(jì)

適當(dāng)?shù)牧魉€程序當(dāng)然是設(shè)計(jì)高速程序的關(guān)鍵因素，所有的高速設(shè)計(jì)都推崇流水線設(shè)計(jì)，在此不做詳細(xì)描述

02

合理使用BlockRAM

需要構(gòu)建一個(gè)以上Block RAM的存儲(chǔ)時(shí)，可通過選擇最大限度地減少數(shù)據(jù)復(fù)用和資源利用的配置優(yōu)化速度。舉例來說， 存儲(chǔ)16位數(shù)據(jù)的16K存儲(chǔ)器最好使用16K × 1位的Block RAM進(jìn)行構(gòu)建，而不是1K × 16位的Block RAM.

03

正確使用DSP Slice

DSP slice邏輯本質(zhì)上可支持較高的時(shí)鐘速率。邏輯電平與數(shù)據(jù)路由路徑的數(shù)量限制了速度，因此在構(gòu)建高速設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在每一個(gè)或兩個(gè)LUT電平上插入一個(gè)寄存器

04

合理的層次結(jié)構(gòu)

定義合理的層次結(jié)構(gòu)，按照邏輯分區(qū)將設(shè)計(jì)劃分成相應(yīng)的功能模塊。這種層次結(jié)構(gòu)提供便于在層次邊界寄存輸出的方法，從而限制特定模塊的關(guān)鍵路徑。這樣分析和修復(fù)在單一模塊中定位的時(shí)序路徑就很容易。實(shí)際上，定位超高時(shí)鐘速度時(shí)，應(yīng)在層次結(jié)構(gòu)的一些層級使用多個(gè)寄存器級，以優(yōu)化時(shí)序并為后端工具留下更多設(shè)計(jì)空間。好的設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)應(yīng)該將相關(guān)的邏輯集成在一起，使得區(qū)域分組和邏輯壓縮更為有效；

建立適當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)可在多個(gè)模塊時(shí)獲取可重復(fù)結(jié)果

在模塊級應(yīng)用實(shí)現(xiàn)屬性，可令代碼簡單并具可擴(kuò)展性，該屬性可傳播該模塊中聲明的所有信號

05

良好的時(shí)鐘管理和時(shí)鐘分配方法

盡可能減少獨(dú)立主時(shí)鐘數(shù)量

將時(shí)鐘元件放在設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)的頂層，以便在多個(gè)模塊共享時(shí)鐘，這將減少所需的時(shí)鐘資源，提高時(shí)序性能，并降低資源和功率利用率

在不相關(guān)時(shí)鐘域之間使用適當(dāng)?shù)脑偻郊夹g(shù)

限制時(shí)鐘“使能”的使用。實(shí)際上這條規(guī)則難以實(shí)現(xiàn)，原因是在多周期實(shí)現(xiàn)中時(shí)鐘“使能”通常需要評估數(shù)據(jù)樣本或操作符輸出。實(shí)現(xiàn)有效的降低功耗技術(shù)很有效。在任何情況下，必須適當(dāng)寄存時(shí)鐘使能信號以刪除高扇出 nets

06

復(fù)位策略

最小化復(fù)位網(wǎng)絡(luò)的大小

避免全局復(fù)位。

優(yōu)選同步復(fù)位，實(shí)際上對DSP48邏輯片和Block RAM是強(qiáng)制的。

總結(jié)

高速設(shè)計(jì)時(shí)FPGA設(shè)計(jì)的未來，隨著信號處理能力的增強(qiáng)，F(xiàn)PGA高速設(shè)計(jì)必不可少。如何合理優(yōu)化FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)是我們必須要考慮的問題。