第8章FPGA設(shè)計(jì)技巧與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

1、第1節(jié) 基本設(shè)計(jì)技巧乒乓操作 1 操作過(guò)程 2 從外部看，數(shù)據(jù)流沒(méi)有停頓的進(jìn)出3 用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流 4 實(shí)際上，用兩個(gè)緩沖模塊實(shí)現(xiàn)了串并轉(zhuǎn)換，兩個(gè)預(yù)處理模塊并行，面積換速度； 串并轉(zhuǎn)換 串并轉(zhuǎn)換 1 FPGA設(shè)計(jì)的一個(gè)重要技巧 2 數(shù)據(jù)流處理的常用手段 3 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： 1 寄存器：小設(shè)計(jì)2 RAM：數(shù)據(jù)量比較大的情況 3 狀態(tài)機(jī)：復(fù)雜的串并轉(zhuǎn)換 流水線(xiàn)操作 1 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 2 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

2、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)方法提高系統(tǒng)的工作頻率。 3 將適當(dāng)劃分的n個(gè)操作步驟單向串連起來(lái) 4 數(shù)據(jù)流在流水線(xiàn)各個(gè)部分的處理，從時(shí)間上看是連續(xù)的 5 數(shù)據(jù)流依次流經(jīng)n個(gè)模塊，完成每個(gè)步驟的操作 6 流水線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)序要進(jìn)行合理安排，每個(gè)操作步驟的劃分要合理，仔細(xì)考慮各個(gè)步驟間的數(shù)據(jù)流量 7 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)直接輸出到后級(jí)的輸入即可 8 如果前級(jí)操作時(shí)間大于后級(jí)的操作時(shí)間，則后級(jí)會(huì)經(jīng)?？臻e?？梢詫?duì)前級(jí)的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存，再輸出到后級(jí)的輸入端 如果前級(jí)操作時(shí)間小于后級(jí)的操作時(shí)間，則必須通過(guò)復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流和并行預(yù)處理，

3、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 數(shù)據(jù)接口的同步 1 兩種易出問(wèn)題的設(shè)計(jì)習(xí)慣-手工加入非門(mén)調(diào)整數(shù)據(jù)延遲，從而保證本級(jí)時(shí)鐘對(duì)上級(jí)數(shù)據(jù)的建立、保持時(shí)間的要求-為了有穩(wěn)定的采樣，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)，以調(diào)整數(shù)據(jù)的采樣位置 2 問(wèn)題-一旦芯片更新?lián)Q代，或者移植到其它器件系列的芯片上，采樣實(shí)現(xiàn)必須重新設(shè)計(jì)-這兩種做法造成電路實(shí)現(xiàn)的時(shí)序余量不夠，一旦外界條件變換（比如溫度升高），采樣時(shí)序就有可能紊亂，造成電路不能完成預(yù)定的功能 3 如果輸入數(shù)據(jù)的節(jié)拍和本系統(tǒng)處理時(shí)鐘同頻，可以直接用本系統(tǒng)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)的節(jié)拍

4、和本系統(tǒng)處理時(shí)鐘同頻，可以直接用本系統(tǒng)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 4 為了避免異步時(shí)鐘域產(chǎn)生錯(cuò)誤的采樣數(shù)據(jù)，一般使用RAM、FIFO緩存的方法完成異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在輸入端口使用上級(jí)時(shí)鐘寫(xiě)數(shù)據(jù)，在輸出端口使用本級(jí)時(shí)鐘讀數(shù)據(jù)，就非第2節(jié) FPGA設(shè)計(jì)思考硬件描述語(yǔ)言的層次含義 HDL是目前數(shù)字ASIC、FPGA、CPLD等最重要的一種設(shè)計(jì)輸入方式： 1 利于自頂向下的設(shè)計(jì) 2 利于模塊劃分與復(fù)用 3 可移植性好、通用性好 4 與工藝無(wú)關(guān)等 常用的概念層次 系統(tǒng)級(jí) 功能模塊級(jí) 行為級(jí) 寄存器轉(zhuǎn)移級(jí) 門(mén)級(jí) Coding Style 1 使用高層次HDL進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，所帶來(lái)

5、的問(wèn)題是設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思考與實(shí)際電路結(jié)構(gòu)是脫節(jié)的; 2 實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于每個(gè)設(shè)計(jì)者對(duì)語(yǔ)言規(guī)則、電路行為的理解不同，編程風(fēng)格不同，往往對(duì)同樣的系統(tǒng)功能，描述的方式是不一樣的。所綜合出來(lái)的電路結(jié)構(gòu)更是大相逕庭; 即使最后綜合出來(lái)的電路都能實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，其復(fù)雜程度和延時(shí)特性都會(huì)有較大差別; 與設(shè)計(jì)層次有關(guān); 3 與綜合工具相關(guān);-揮綜合工具的最大潛能-不同綜合工具對(duì)一些語(yǔ)法細(xì)節(jié)的解釋略有不同。 4 與器件的硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)-充分、合理的使用硬件資源 分層次的模塊化設(shè)計(jì) 1 結(jié)構(gòu)層次化編碼是模塊化設(shè)計(jì)思想的一種體現(xiàn)。目前大型設(shè)計(jì)中必須采用結(jié)構(gòu)層次化編碼風(fēng)格，以提高代碼的可讀性，易于模塊劃分，易于分工協(xié)

6、作，易于設(shè)計(jì)仿真測(cè)試激勵(lì); 2 最基本的結(jié)構(gòu)化層次由一個(gè)頂層模塊和若干個(gè)子模塊構(gòu)成，每個(gè)子模塊根據(jù)需要還可以包含自己的子模塊。 3 結(jié)構(gòu)的層次不宜太深； 4 頂層模塊僅包含對(duì)所有模塊的組織和調(diào)用； 5 所有I/O信號(hào)的描述在頂層模塊完成； 6 子模塊之間可以有接口；不要建立子模塊之間跨層次的接口； 7 子模塊的合理劃分很重要，應(yīng)該綜合考慮子模塊的功能、結(jié)構(gòu)、時(shí)序、復(fù)雜度等多方面因素。 模塊劃分的技巧 1 結(jié)構(gòu)層次化設(shè)計(jì)方法的第一個(gè)要點(diǎn)就是模塊劃分，模塊劃分非常重要，關(guān)系到能否最大程度上發(fā)揮項(xiàng)目成員協(xié)同設(shè)計(jì)的能力，更重要的是它直接決定著設(shè)計(jì)的綜合、實(shí)現(xiàn)的耗時(shí)與效率。2 模塊劃分的基本原則如下：-

7、對(duì)每個(gè)同步時(shí)序設(shè)計(jì)的子模塊的輸出使用寄存器，有利于綜合工具對(duì)邏輯進(jìn)行優(yōu)化；-關(guān)的邏輯或可以復(fù)用的邏輯劃分在同一模塊內(nèi)； -將不同優(yōu)化目標(biāo)的邏輯分開(kāi)；-將松約束的邏輯歸到同一模塊；-將存儲(chǔ)邏輯獨(dú)立劃分成模塊；-合適的模塊規(guī)模。 盡量避免使用鎖存器 1 寄存器：時(shí)鐘沿敏感，利用時(shí)鐘沿確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龅臅r(shí)刻； 2 鎖存器：電平敏感，只要時(shí)鐘是高電平（或低電平），就允許數(shù)據(jù)從輸入傳輸?shù)捷敵觥?3 鎖存器會(huì)造成設(shè)計(jì)和時(shí)序驗(yàn)證中的各種困難。-鎖存器對(duì)輸入數(shù)據(jù)的毛刺非常敏感，會(huì)將其傳送到輸出-軟件無(wú)法確定使用鎖存器的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖；-其他設(shè)計(jì)者不容易進(jìn)行設(shè)計(jì)移植和代碼重用。 4 FPGA擁有大量的寄存

8、器，基于鎖存器的設(shè)計(jì)比基于寄存器的設(shè)計(jì)要占用更多的邏輯資源，性能降低。 5 如果堅(jiān)持用鎖存器設(shè)計(jì)必須保證輸入信號(hào)絕對(duì)沒(méi)有毛刺，且滿(mǎn)足保持時(shí)間。6 同步時(shí)序設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量避免使用鎖存器Latch； 7 綜合出鎖存器的主要原因：-不完全的條件判斷語(yǔ)句；-設(shè)計(jì)中有組合邏輯的反饋環(huán)路等異步邏輯。 8 防止產(chǎn)生不必要鎖存器的措施:-用完整的ifelse語(yǔ)句；-檢查設(shè)計(jì)中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路；-為每個(gè)輸入條件，設(shè)計(jì)輸出操作，對(duì)case語(yǔ)句設(shè)置default操作，在狀態(tài)機(jī)中最好有一個(gè)default的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，每個(gè)狀態(tài)最好有一個(gè)default的操作；-在使用case語(yǔ)句時(shí)，附加“full case”約束，以

9、便將其綜合為完全的條件case語(yǔ)句； -仔細(xì)檢查綜合軟件的綜合報(bào)告，目前大多數(shù)綜合軟件對(duì)綜合出的鎖存器會(huì)報(bào)告“warning”。異步時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)交換第3節(jié) FPGA其他技巧優(yōu)化時(shí)序 1 可以使用pipelining、retiming、register balancing等時(shí)序優(yōu)化方法； 2 對(duì)設(shè)計(jì)中較長(zhǎng)的組合邏輯路徑進(jìn)行分割和平衡，在一定程度上提高設(shè)計(jì)的工作頻率； 3 目前綜合軟件能夠根據(jù)用戶(hù)的參數(shù)配置，自動(dòng)運(yùn)用這些技術(shù)。 模塊復(fù)用與資源共享 1 舉例：補(bǔ)碼平方和 module resource_share (data_in, square); input 7:0 data_in; /輸入

10、是補(bǔ)碼 output 15:0 square; wire 7:0 data_bar; assign data_bar = data_in + 1; assign square = (data_in7)? (data_bar*data_bar):(data_in*data_in); endmodule 舉例：補(bǔ)碼平方和module resource_share (data_in, square); input 7:0 data_in; /輸入是補(bǔ)碼 output 15:0 square; wire 7:0 data_temp; assign data_temp = (data_in7)? (da

11、ta_in + 1) : data_in; assign square = data_temp*data_temp; endmodule 1 本例使用Synplify Pro7.2進(jìn)行綜合，關(guān)閉了“resource sharing”等所有優(yōu)化選項(xiàng)； 2 不同的綜合軟件，同一軟件的不同版本、不同的優(yōu)化參數(shù)設(shè)置、不同的目標(biāo)器件等因素都可能造成不同的綜合結(jié)果； 3 目前很多綜合軟件都有“resource sharing”或類(lèi)似的優(yōu)化選項(xiàng)，軟件在邏輯功能不變的情況下進(jìn)行資源共享。上例中，如果打開(kāi)Synplify的“resource sharing”選項(xiàng)，則綜合結(jié)果與第二種代碼描述的綜合結(jié)果完全一致；

12、4 不能因?yàn)榫C合軟件的優(yōu)化能力增強(qiáng)，而片面的依靠它，還是要養(yǎng)成好的coding style。 -綜合工具的優(yōu)化能力還是有限的；-依靠綜合工具的優(yōu)化能力并不可靠。 邏輯復(fù)制 1 邏輯復(fù)制是通過(guò)增加面積而改善時(shí)序條件的優(yōu)化方法； 2 如果某個(gè)信號(hào)需要驅(qū)動(dòng)后級(jí)的很多單元，為了增加這個(gè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，就可以復(fù)制生成這個(gè)信號(hào)的邏輯，使多路同頻同相的信號(hào)驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路； 3 可見(jiàn)，邏輯復(fù)制與資源共享，仍然體現(xiàn)了速度和面積的平衡問(wèn)題。一個(gè)側(cè)重于速度目標(biāo)，一個(gè)側(cè)重于面積目標(biāo)。 邏輯復(fù)制： sign data_out = (sel)? (a+b) : (c+d); 資源共享： wire temp1, temp2;

13、 assign temp1 = (sel)? (a) : (c); assign temp2 = (sel)? (b) : (d); assign data_out = temp1 + temp2; 香農(nóng)擴(kuò)展 1 香農(nóng)擴(kuò)展（布爾邏輯擴(kuò)展）也是一種通過(guò)邏輯復(fù)制、增加面積、提高速度的時(shí)序優(yōu)化方法； 2 是卡諾邏輯化簡(jiǎn)的反向操作。 3 通過(guò)增加多路選擇器，縮短了某個(gè)優(yōu)先級(jí)高、但組合路徑長(zhǎng)的信號(hào)的路徑時(shí)延，從而提高該關(guān)鍵路徑的工作頻率。 4 優(yōu)化目標(biāo)決定是否使用這種時(shí)序優(yōu)化手段。 信號(hào)敏感表 1 信號(hào)敏感表：VHDL的process后、Verilog的always后的信號(hào)列表，模塊的啟動(dòng)由信號(hào)敏感表中

14、的信號(hào)來(lái)觸發(fā)。 2 時(shí)序邏輯：在信號(hào)敏感表寫(xiě)明時(shí)鐘信號(hào)的正負(fù)觸發(fā)沿即可； 3 組合邏輯：-將進(jìn)程中使用到的所有輸入信號(hào)和條件判斷信號(hào)都列在信號(hào)敏感表中；-不完整的信號(hào)敏感表會(huì)造成前仿真結(jié)果和綜合、實(shí)現(xiàn)后仿真結(jié)果不一致； -不同的綜合工具處理方法不一樣。一般綜合軟件的默認(rèn)做法是，將處理進(jìn)程中用到的所有輸入和條件判斷信號(hào)都默認(rèn)添加到綜合結(jié)果的信號(hào)敏感表中，并對(duì)原設(shè)計(jì)敏感表中遺漏的信號(hào)給出警告信息。 復(fù)位邏輯 1 復(fù)位方式：-與設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)；-與目標(biāo)器件的底層硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 2 異步復(fù)位 vs.同步復(fù)位：-如果信號(hào)敏感表中含有復(fù)位信號(hào)的正沿或負(fù)沿觸發(fā)，則屬于異步復(fù)位邏輯；-一般來(lái)說(shuō)，采用同步復(fù)位

15、邏輯的設(shè)計(jì)工作頻率較高；-使用異步復(fù)位邏輯的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單； 3 對(duì)于全局復(fù)位邏輯，不同廠商的器件的推薦設(shè)計(jì)不同：-對(duì)于CPLD，一般推薦使用異步的全局復(fù)位邏輯；-Xilinx的新型FPGA器件不推薦使用全局復(fù)位邏輯；-Lattice的多數(shù)FPGA器件推薦使用全局復(fù)位資源 。 有限狀態(tài)機(jī)（FSM）設(shè)計(jì) 1 有限狀態(tài)機(jī)是重要的邏輯設(shè)計(jì)方法，通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可以將復(fù)雜的控制時(shí)序分解為狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 2 狀態(tài)機(jī)類(lèi)型：-Moore型：狀態(tài)機(jī)的輸出僅是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，且僅在時(shí)鐘跳變時(shí)發(fā)生變化；-Mealy型：狀態(tài)機(jī)的輸出是當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入的函數(shù)，任何輸入信號(hào)的變化都可能引起輸出信號(hào)的變化，不與時(shí)鐘同步

16、。 3 狀態(tài)機(jī)的編碼：-二進(jìn)制編碼 vs. One-Hot編碼 -例：4個(gè)狀態(tài) -二進(jìn)制編碼：00, 01, 10, 11（或格雷碼等） -One-Hot編碼：0001, 0010, 0100, 1000-二進(jìn)制編碼使用較少的觸發(fā)器和較多的組合邏輯；適用于CPLD和小型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)； -One-Hot編碼使用較多的觸發(fā)器和較少的組合邏輯；適用于FPGA和大型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)；-可通過(guò)設(shè)置綜合軟件的選項(xiàng)來(lái)選擇狀態(tài)機(jī)編碼； 4 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的方法有兩大類(lèi)：-將狀態(tài)轉(zhuǎn)移和狀態(tài)操作和判斷寫(xiě)在一個(gè)模塊里；-將狀態(tài)轉(zhuǎn)移寫(xiě)成一個(gè)單獨(dú)的模塊，將狀態(tài)的操作和判斷寫(xiě)到另一個(gè)模塊中； 5 其中后者是比較好的設(shè)計(jì)方式。-便

17、于閱讀、理解、維護(hù)；-狀態(tài)轉(zhuǎn)移是用寄存器實(shí)現(xiàn)的，是同步時(shí)序部分；狀態(tài)的判斷是組合邏輯； -利于綜合工具優(yōu)化代碼； -利于用戶(hù)添加時(shí)序約束； -利于布局布線(xiàn)軟件對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。 6 個(gè)健壯的狀態(tài)機(jī)應(yīng)該具備初始化狀態(tài)和默認(rèn)狀態(tài)（缺省狀態(tài)）；-當(dāng)芯片加電或復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)應(yīng)該能夠自動(dòng)將所有判斷條件復(fù)位，并進(jìn)入初始化狀態(tài)；-狀態(tài)機(jī)應(yīng)該有一個(gè)默認(rèn)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)移條件不滿(mǎn)足或狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，保證邏輯不會(huì)陷入死循環(huán)。這就要求盡量使用完備的條件判斷語(yǔ)句。 -VHDL中，使用case語(yǔ)句時(shí)，要用when others建立默認(rèn)狀態(tài)，使用ifthenelse語(yǔ)句時(shí)，用else指定默認(rèn)狀態(tài)； -Verilog中，使用case

18、語(yǔ)句時(shí)，要用default建立默認(rèn)狀態(tài)，使用ifelse語(yǔ)句時(shí)也要完備。 7 指定默認(rèn)的輸出值：-能夠防止無(wú)意生成的鎖存器；-輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)寄存器，以獲得更好的時(shí)序環(huán)境； 8 狀態(tài)機(jī)輸出邏輯復(fù)用-如果在狀態(tài)機(jī)中有多個(gè)狀態(tài)都會(huì)執(zhí)行某項(xiàng)操作，則可以在狀態(tài)機(jī)外部定義這個(gè)操作的具體內(nèi)容，在狀態(tài)機(jī)中僅僅調(diào)用這個(gè)操作即可。-相當(dāng)于前面提到的資源共享。 9 HDL設(shè)計(jì)源代碼-作為好的源代碼，應(yīng)該包含文件頭和修訂列表（以獲得修改情況）。另外，每一個(gè)重要的操作和定義后都要加上注釋。-文件頭包含以下內(nèi)容： -模塊名 -文件名 -需要的庫(kù) -模塊描述 -使用的仿真器-其運(yùn)行平臺(tái)和版本 -使用的綜合工具，其運(yùn)行平臺(tái)和版本 -作者 修訂列表包含以下內(nèi)容：-修訂版本號(hào) -改動(dòng)的時(shí)間-修訂者-改動(dòng)的詳細(xì)描述 例：文件頭 - Module : MAC (Multiply Accumulate Unit) - File : mac.vhd - Library : ieee,. - Description : It is a general Purpose Multiply Accumulate Unit - Simulator : Modelsim 5.2 / Windows 95 - Synthesizer : Synplify / Windows95 - Author / Designer : Hari