FPGA工程師手記：FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)黃金法則

不管你是一名邏輯設(shè)計(jì)師、硬件工程師或系統(tǒng)工程師，甚或擁有所有這些頭銜，只要你在任何一種高速和多協(xié)議的復(fù)雜系統(tǒng)中使用了FPGA，你就很可能需要努力解決好器件配置、電源管理、IP集成、信號(hào)完整性和其他的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題。

不過，你不必獨(dú)自面對(duì)這些挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诋?dāng)前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的FPGA公司里工作的應(yīng)用工程師每天都會(huì)面對(duì)這些問題，而且他們已經(jīng)提出了一些將令你的設(shè)計(jì)工作變得更輕松的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則和解決方案。掌握FPGA設(shè)計(jì)的三大黃金法則，讓你設(shè)計(jì)更輕松。

一.面積與速度的平衡互換原則

這里的面積指的是FPGA的芯片資源，包括邏輯資源和I/O資源等;這里的速度指的是FPGA工作的最高頻率(和DSP或者ARM不同，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)的工作頻率是不固定的，而是和設(shè)計(jì)本身的延遲緊密相連)。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用最小的面積設(shè)計(jì)出最高的速度是每一個(gè)開發(fā)者追求的目標(biāo)，但是“魚和熊掌不可兼得”，取舍之間展示了一個(gè)開發(fā)者的智慧。

1.速度換面積

速度優(yōu)勢(shì)可以換取面積的節(jié)約。面積越小，就意味著可以用更低的成本來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。速度換面積的原則在一些較復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到。在這些算法設(shè)計(jì)中，流水線設(shè)計(jì)常常是必須用到的技術(shù)。在流水線的設(shè)計(jì)中，這些被重復(fù)使用但是使用次數(shù)不同的模塊將會(huì)占用大量的FPGA資源。對(duì)FPGA的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行改造，將被重復(fù)使用的算法模塊提煉出最小的復(fù)用單元，并利用這個(gè)最小的高速代替原設(shè)計(jì)中被重復(fù)使用但次數(shù)不同的模塊。當(dāng)然，在改造的過程中必然會(huì)增加一些其他的資源來實(shí)現(xiàn)這個(gè)代替的過程。但是只要速度具有優(yōu)勢(shì)，那么增加的這部分邏輯依然能夠?qū)崿F(xiàn)降低面積提高速度的目的。

可以看到，速度換面積的關(guān)鍵是高速基本單元的復(fù)用。

2.面積換速度

在這種方法中面積的復(fù)制可以換取速度的提高。支持的速度越高，就意味著可以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品性能。一些注重產(chǎn)品性能的應(yīng)用領(lǐng)域可以采用并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面積換速度。

二.硬件可實(shí)現(xiàn)原則

FPGA設(shè)計(jì)通常會(huì)使用HDL語言，比如Verilog HDL或者VHDL。當(dāng)采用HDL語言來描述一個(gè)硬件電路功能的時(shí)候，一定要確保代碼描述的電路是硬件可實(shí)現(xiàn)的。

Verilog HDL語言的語法與C語言很相似，但是它們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。C語言是基于過程的高級(jí)語言，編譯后可以在CPU上運(yùn)行。而Verilog HDL語言描述的本身就是硬件結(jié)構(gòu)，編譯后是硬件電路。因此，有些語句在C語言的環(huán)境中應(yīng)用是沒有問題的，但是在HDL語言環(huán)境下就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不正確或者不理想。如：

for(i=0;i<16;i++)

DoSomething();

在C語言中運(yùn)行沒有任何問題，但是在Verilog HDL的環(huán)境下編譯就會(huì)導(dǎo)致綜合后的資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

三.同步設(shè)計(jì)原則

同步電路和異步電路是FPGA設(shè)計(jì)的兩種基本電路結(jié)構(gòu)形式。

異步電路的最大缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生毛刺。同步設(shè)計(jì)的核心電路是由各種觸發(fā)器構(gòu)成的。這類電路的任何輸出都是在某個(gè)時(shí)鐘的邊沿驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生的。所以，同步設(shè)計(jì)可以很好地避免毛刺的產(chǎn)生。