FPGA設計的八個重要知識點，你都會嗎？

1. 面積與速度的平衡與互換

這里的面積指一個設計消耗FPGA/CPLD的邏輯資源的數(shù)量，對于FPGA可以用消耗的FF（觸發(fā)器）和LUT（查找表）來衡量，更一般的衡量方式可以用設計所占的等價邏輯門數(shù)。

速度指設計在芯片上穩(wěn)定運行所能達到的最高頻率，這個頻率由設計的時序狀況來決定，以及設計滿足的時鐘要求：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)。

面積和速度這兩個指標貫穿FPGA/CPLD設計的時鐘，是設計質(zhì)量的評價的終極標準 ——  面積和速度是一對對立統(tǒng)一的矛盾體。

要求一個同時具備設計面積最小、運行頻率最高是不現(xiàn)實的。 更科學的設計目標應該是在滿足設計時序要求（包括對設計頻率的要求）的前提下，占用最小的芯片面積。 或者在所規(guī)定的面積下，是設計的時序余量更大、頻率跑的更高。 這兩種目標充分體現(xiàn)了面積和速度的平衡的思想。

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，當兩者沖突時，采用速度優(yōu)先的準則。

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

　　

2. 硬件原則

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，它的最終實現(xiàn)結(jié)果是芯片內(nèi)部的實際電路。所以評判一段HDL代碼的優(yōu)劣的最終標準是：其描述并實現(xiàn)的硬件電路的性能，包括面積和速度兩個方面。

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

初學者片面追求代碼的整潔、簡短，是錯誤的， 是與HDL的標準背道而馳的。 正確的編碼方法，首先要做到對所需實現(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?shù)腍DL語句表達出來即可。

另外，Verilog作為一種HDL語言，是分層次的。系統(tǒng)級--算法級--寄存器傳輸級--邏輯級--門級-- 開關(guān) 級。構(gòu)建優(yōu)先級樹會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)，一塊單板如何進行模塊花費和任務分配，什么樣的算法和功能適合放在FPGA里面實現(xiàn)，什么樣的算法和功能適合放在DSP/CPU里面實現(xiàn)，以及FPGA的規(guī)模估算數(shù)據(jù)接口設計等。具體到FPGA設計就要對設計的全局有個宏觀上的合理安排，比如時鐘域、模塊復用、約束、面積、速度等問題，在系統(tǒng)上模塊的優(yōu)化最為重要。

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

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。

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FF和2個LUT構(gòu)成。Altera的底層硬件資源叫LE，由1個FF和1個LUT構(gòu)成。 使用片內(nèi)RAN可以實現(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)劃的簡化流程

4. 同步設計原則

異步電路的邏輯核心是用組合邏輯電路實現(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是容易產(chǎn)生毛刺，在布局布線后仿真和用邏輯分析儀觀測實際信號時，這種毛刺尤其明顯。

同步時序電路的核心邏輯用各種各樣的觸發(fā)器實現(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，布局布線后仿真，和用 邏輯分析儀 采樣實際工作信號都沒有毛刺。

• 是否時序電路一定比異步電路使用更多的資源呢？ 從單純的ASCI設計來看，大約需要7個門來實現(xiàn)一個D觸發(fā)器，而一個門即可實現(xiàn)一個2輸入與非門，所以一般來說，同步時序電路比異步電路占用更大的面積。 （FPGA/CPLD中不同，主要是因為單元塊的計算方式）
  
  
• 如何實現(xiàn)同步時序電路的延時？ 異步電路產(chǎn)生延時的一般方法是插入一個Buffer、兩級與非門等， 這種延時調(diào)整手段是不適用同步時序設計思想的。 首先要明確一點HDL語法中的延時控制語法，是行為級的代碼描述，常用于仿真測試激勵，但是在電路綜合是會被忽略，并不能啟動延時作用。

  
  

  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做一個電路邏輯來設計。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？ 答案的否定的。 Verilog中最常用的兩種數(shù)據(jù)類型Wire和Reg，一般來說，Wire型指定書數(shù)據(jù)和網(wǎng)線通過組合邏輯實現(xiàn)，而reg型指定的數(shù)據(jù)不一定就是用寄存器實現(xiàn)。

　　

5. 乒乓操作

“ 乒乓操作 ” 是一個常常應用于數(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)流運算處理模塊 ” 進行運算處理；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)流運算處理模塊 ” 進行運算處理。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、進行運算和處理。 把乒乓操作模塊當成一個整體，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)流進行流水線式處理。所以乒乓操作常常應用于流水線式算法，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理。

　　

乒乓操作的第二個優(yōu)點是可以節(jié)約緩沖區(qū)空間。比如在WCDMA基帶應用中，1幀是由15個時隙組成的，有時需要將1整幀的數(shù)據(jù)延時一個時隙后處理，比較直接的方法就是將這幀數(shù)據(jù)緩存起來，然后延時一個時隙，進行處理。這時緩沖區(qū)的長度為1幀的數(shù)據(jù)長，假設數(shù)據(jù)速率是3.84Mb/s，1幀10ms，此時需要緩沖區(qū)的長度是38400bit，如果采用乒乓操作，只需定義兩個緩沖1時隙的數(shù)據(jù)RAM，當向一個RAM寫數(shù)據(jù)時，從另一塊RAM讀數(shù)據(jù)，然后送到處理單元處理，此時每塊RAM的容量僅需2560bit，2塊加起來5120bit的容量。

乒乓操作用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流

另外，巧妙運用乒乓操作還可以達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 后引入了一級數(shù)據(jù)預處理模塊，這個數(shù)據(jù)預處理可以根據(jù)需要的各種數(shù)據(jù)運算，比如在 WCDMA 設計中，對輸入數(shù)據(jù)流的解擴、解擾、去旋轉(zhuǎn)等。假設端口 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)換設計技巧

串并轉(zhuǎn)換是 FPGA 設計的一個重要技巧，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 等實現(xiàn)。

前面在乒乓操作的圖例中，就是通過 DPRAM 實現(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)可以開得很大，對于數(shù)量比較小的設計可以采用寄存器完成串并轉(zhuǎn)換。如無特殊需求，應該用同步時序設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 語句判斷實現(xiàn)。 對于復雜的串并轉(zhuǎn)換，還可以用狀態(tài)機實現(xiàn)。 串并轉(zhuǎn)換的方法比較簡單，在此不必贅述。

7. 流水線操作設計思想

首先需要聲明的是，這里所講述的流水線是指一種處理流程和順序操作的設計思想，并非 FPGA 、 ASIC 設計中優(yōu)化時序所用的 “Pipelining” 。

流水線處理是高速設計中的一個常用設計手段。 如果某個設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計方法來提高系統(tǒng)的工作頻率。

流水線設計的結(jié)構(gòu)

流水線設計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。其基本結(jié)構(gòu)為：將適當劃分的 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。

流水線設計時序

流水線設計的一個關(guān)鍵在于整個設計時序的合理安排，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。

在 WCDMA 設計中經(jīng)常使用到流水線處理的方法，如 RAKE 接收機、搜索器、前導捕獲等。流水線處理方式之所以頻率較高，是因為復制了處理模塊，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 設計的一個常見問題，也是一個重點和難點，很多設計不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問題。在電路圖設計階段，一些工程師手工加入 BUFT 或者非門調(diào)整數(shù)據(jù)延遲，從而保證本級模塊的時鐘對上級模塊數(shù)據(jù)的建立、保持時間要求。

還有一些工程師為了有穩(wěn)定的采樣，生成了很多相差 90 度的時鐘信號，時而用正沿打一下數(shù)據(jù)，時而用負沿打一下數(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，因為一旦芯片更新?lián)Q代或者移植到其它芯片 組的芯片上，采樣實現(xiàn)必須重新設計。而且，這兩種做法造成電路實現(xiàn)的余量不夠，一旦外界條件變換 ( 比如溫度升高 ) ，采樣時序就有可能完全紊亂，造成電路癱瘓。

• 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，也可以達到數(shù)據(jù)同步目的。

  
  

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

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