淺析FPGA的四大設(shè)計要點

FPGA的用處比我們平時想象的用處更廣泛，原因在于其中集成的模塊種類更多，而不僅僅是原來的簡單邏輯單元（LE）。

現(xiàn)在的FPGA不僅包含以前的LE,RAM也更大更快更靈活，管教IOB也更加的復(fù)雜，支持的IO類型也更多，而且內(nèi)部還集成了一些特殊功能單元，包括：

DSP:實際上就是乘加器，F(xiàn)PGA內(nèi)部可以集成多個乘加器，而一般的DSP芯片往往每個core只有一個。換言之，F(xiàn)PGA可以更容易實現(xiàn)多個DSP core功能。在某些需要大量乘加計算的場合，往往多個乘加器并行工作的速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個高速乘加器。

SERDES:高速串行接口。將來PCI-E、XAUI、HT、S-ATA等高速串行接口會越來越多。有了SERDES模塊，F(xiàn)PGA可以很容易將這些高速串行接口集成進(jìn)來，無需再購買專門的接口芯片。

CPU core:分為2種，軟core和硬core.軟core是用邏輯代碼寫的CPU模塊，可以在任何資源足夠的FPGA中實現(xiàn)，使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個軟core,實現(xiàn)多核并行處理。硬core是在特定的FPGA內(nèi)部做好的CPU core,優(yōu)點是速度快、性能好，缺點是不夠靈活。

不過，F(xiàn)PGA還是有缺點。對于某些高主頻的應(yīng)用，F(xiàn)PGA就無能為力了?，F(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz,但在實際設(shè)計中，往往200MHz以上工作頻率就很難實現(xiàn)了。

FPGA設(shè)計要點之一：時鐘樹

對于FPGA來說，要盡可能避免異步設(shè)計，盡可能采用同步設(shè)計。

同步設(shè)計的第一個關(guān)鍵，也是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，就是時鐘樹。

一個糟糕的時鐘樹，對FPGA設(shè)計來說，是一場無法彌補的災(zāi)難，是一個沒有打好地基的大樓，崩潰是必然的。

具體一些的設(shè)計細(xì)則：

1.盡可能采用單一時鐘；

2.如果有多個時鐘域，一定要仔細(xì)劃分，千萬小心；

3.跨時鐘域的信號一定要做同步處理。對于控制信號，可以采用雙采樣；對于數(shù)據(jù)信號，可以采用異步fifo.需要注意的是，異步fifo不是萬能的，一個異步fifo也只能解決一定范圍內(nèi)的頻差問題。

4.盡可能將FPGA內(nèi)部的PLL、DLL利用起來，這會給你的設(shè)計帶來大量的好處。

5.對于特殊的IO接口，需要仔細(xì)計算Tsu、Tco、Th,并利用PLL、DLL、DDIO、管腳可設(shè)置的delay等多種工具來實現(xiàn)。簡單對管腳進(jìn)行Tsu、Tco、Th的約束往往是不行的。

可能說的不是很確切。這里的時鐘樹實際上泛指時鐘方案，主要是時鐘域和PLL等的規(guī)劃，一般情況下不牽扯到走線時延的詳細(xì)計算（一般都走全局時鐘網(wǎng)絡(luò)和局部時鐘網(wǎng)絡(luò)，時延固定），和ASIC中的時鐘樹不一樣。

對于ASIC,就必須對時鐘網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、布線、時延計算進(jìn)行仔細(xì)的分析計算才行。

FPGA設(shè)計要點之二：FSM

FSM:有限狀態(tài)機(jī)。這個可以說時邏輯設(shè)計的基礎(chǔ)。幾乎稍微大一點的邏輯設(shè)計，幾乎都能看得到FSM。

FSM分為moore型和merly型，moore型的狀態(tài)遷移和變量無關(guān)，merly型則有關(guān)。實際使用中大部分都采用merly型。

FSM通常有2種寫法：單進(jìn)程、雙進(jìn)程。

初學(xué)者往往喜歡單進(jìn)程寫法，格式如下：

簡單的說，單進(jìn)程FSM就是把所有的同步、異步處理都放入一個always中。

優(yōu)點：

1.看起來比較簡單明了，寫起來也不用在每個case分支或者if分支中寫全對各個信號和狀態(tài)信號的處理。也可以簡單在其中加入一些計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)處理。

2.所有的輸出信號都已經(jīng)是經(jīng)過D觸發(fā)器鎖存了。

缺點：

1.優(yōu)化效果不佳。由于同步、異步放在一起，編譯器一般對異步邏輯的優(yōu)化效果最好。單進(jìn)程FSM把同步、異步混雜在一起的結(jié)果就是導(dǎo)致編譯器優(yōu)化效果差，往往導(dǎo)致邏輯速度慢、資源消耗多。

2.某些時候需要更快的信號輸出，不必經(jīng)過D觸發(fā)器鎖存，這時單進(jìn)程FSM的處理就比較麻煩了。

雙進(jìn)程FSM,格式如下：

從上面可以看到，同步處理和異步處理分別放到2個always中。其中FSM狀態(tài)變量也采用2個來進(jìn)行控制。雙進(jìn)程FSM的原理這里就不多說了，在很多邏輯設(shè)計書中都有介紹。

優(yōu)點：

1.編譯器優(yōu)化效果明顯，可以得到很理想的速度和資源占用率。

2.所有的輸出信號（除了FSM_status_current）都是組合輸出的，比單進(jìn)程FSM快。

缺點：

1.所有的輸出信號（除了FSM_status_current）都是組合輸出的，在某些場合需要額外寫代碼來進(jìn)行鎖存。

2.在異步處理的always中，所有的if、case分支必須把所有的輸出信號都賦值，而且不能出現(xiàn)在FSM中的輸出信號回送賦值給本FSM中的其他信號的情況，否則會出現(xiàn) latch.

latch會導(dǎo)致如下問題：

1.功能仿真結(jié)果和后仿不符；

2.出現(xiàn)無法測試的邏輯；

3.邏輯工作不穩(wěn)定，特別是latch部分對毛刺異常敏感；

4.某些及其特殊的情況下，如果出現(xiàn)正反饋，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

這不是恐嚇也不是開玩笑，我就親眼見過一個小伙把他做的邏輯加載上去后，整個FPGA給炸飛了。后來懷疑可能是出現(xiàn)正反饋導(dǎo)致高頻振蕩，最后導(dǎo)致芯片過熱炸掉（這個FPGA芯片沒有安裝散熱片）。

FPGA設(shè)計要點之三：latch

首先回答一下：

stateCAD沒有用過，不過我感覺用這個東東在構(gòu)建大的系統(tǒng)的時候似乎不是很方便。也許用systemC或者system Verilog更好一些。另外同步、異步的叫法是我所在公司的習(xí)慣叫法，不太對，不過已經(jīng)用習(xí)慣了。

這次講一下latch，latch的危害已經(jīng)說過了，這里不再多說，關(guān)鍵講一下如何避免。

1.在組合邏輯進(jìn)程中，if語句一定要有else!并且所有的信號都要在if的所有分支中被賦值。

另外需要注意，下面也會產(chǎn)生latch.也就是說在組合邏輯進(jìn)程中不能出現(xiàn)自己賦值給自己或者間接出現(xiàn)自己賦值給自己的情況。

但如果是時序邏輯進(jìn)程，則不存在該問題。

2.case語句的default一定不能少！

原因和if語句相同，這里不再多說了。需要提醒的是，在時序邏輯進(jìn)程中，default語句也一定要加上，這是一個很好的習(xí)慣。

3.組合邏輯進(jìn)程敏感變量不能少也不能多。

這個問題倒不是太大，verilog2001語法中可以直接用 * 搞定了。

順便提一句，latch有弊就一定有利。在FPGA的LE中，總存在一個latch和一個D觸發(fā)器，在支持DDR的IOE（IOB）中也存在著一個latch來實現(xiàn)DDIO。不過在我們平時的設(shè)計中，對latch還是要盡可能的敬而遠(yuǎn)之。

FPGA設(shè)計要點之四：邏輯仿真

仿真是FPGA設(shè)計中必不可少的一步。沒有仿真，就沒有一切。仿真是一個單調(diào)而繁瑣的工作，很容易讓人產(chǎn)生放棄或者偷工減料的念頭。這時一定要挺住！

仿真分為單元仿真、集成仿真、系統(tǒng)仿真。

單元仿真：針對每一個最小基本模塊的仿真。單元仿真要求代碼行覆蓋率、條件分支覆蓋率、表達(dá)式覆蓋率必須達(dá)到100%!這三種覆蓋率都可以通過MODELSIM來查看，不過需要在編譯該模塊時要在Compile option中設(shè)置好。

集成仿真：將多個大模塊合在一起進(jìn)行仿真。覆蓋率要求盡量高。

系統(tǒng)仿真：將整個硬件系統(tǒng)合在一起進(jìn)行仿真。此時整個仿真平臺包含了邏輯周邊芯片接口的仿真模型，以及BFM、Testbench等。系統(tǒng)仿真需要根據(jù)被仿真邏輯的功能、性能需求仔細(xì)設(shè)計仿真測試?yán)头抡鏈y試平臺。系統(tǒng)仿真是邏輯設(shè)計的一個大分支，是一門需要專門學(xué)習(xí)的學(xué)科。