采用CPLD/FPGA的VHDL語言電路優(yōu)化原理設計

VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是IEEE工業(yè)標準硬件描述語言，是隨著可編程邏輯器件(PLD)的發(fā)展而發(fā)展起來的。它是一種面向設計、多層次的硬件描述語言，是集行為描述、RTL描述、門級描述功能為一體的語言，并已成為描述、驗證和設計數(shù)字系統(tǒng)中最重要的標準語言之一。由于VHDL在語法和風格上類似于高級編程語言，可讀性好，描述能力強，設計方法靈活，可移植性強，因此它已成為廣大EDA工程師的首選。目前，使用VHDL語言進行CPLD／FPGA設計開發(fā)，Altera和Lattice已經(jīng)在開發(fā)軟件方面提供了基于本公司芯片的強大開發(fā)工具。但由于VHDL設計是行為級設計，所帶來的問題是設計者的設計思想與電路結(jié)構(gòu)相脫節(jié)，而且其在設計思路和編程風格等方面也存在差異，這些差異會對系統(tǒng)綜合后的電路整體性能產(chǎn)生重要的影響。

在VHDL語言電路優(yōu)化設計當中，優(yōu)化問題主要包括面積優(yōu)化和速度優(yōu)化。面積優(yōu)化是指CPLD／FPGA的資源利用率優(yōu)化，即用盡可能少的片內(nèi)資源實現(xiàn)更多電路功能；速度優(yōu)化是指設計系統(tǒng)滿足一定的速度要求，即用更多的片內(nèi)資源換取更快的處理速度，常用于視頻信號采集系統(tǒng)和通信系統(tǒng)之中。面積優(yōu)化和速度優(yōu)化通常是一對矛盾，一般情況下，速度指標是首要的，在滿足速度要求的前提下，盡可能實現(xiàn)面積優(yōu)化。因此，本文結(jié)合在設計超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡過程中的CPLD編程經(jīng)驗，提出串行設計、防止不必要鎖存器的產(chǎn)生、使用狀態(tài)機簡化電路描述、資源共享，利用E2PROM芯片節(jié)省片內(nèi)資源等方法對VHDL電路進行優(yōu)化。

1VHDL電路優(yōu)化設計的方法

優(yōu)化設計是可編成邏輯設計的精華所在，如何節(jié)省所占用的面積、如何提高設計的性能是可編成邏輯設計的核心，這兩點往往也成為一個設計甚至項目成敗的關(guān)鍵因素。下面結(jié)合超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡設計過程中，并基于Altera公司的EPM7192 CPLD芯片的編程經(jīng)歷來論述VHDL電路的優(yōu)化方法。

1.1采用串行設計代替并行設計

串行設計是指把原來單個時鐘周期內(nèi)完成的并行操作的邏輯功能分割出來，提取相同的功能單元，在時間上分時復用這些功能單元，在滿足系統(tǒng)速度要求的前提下，用多個時鐘周期來完成單個時鐘周期即可完成的功能。

根據(jù)項目的要求，超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡要有5個模擬通道，每隔125μs就會采集到330個點。如果等5個超聲通道采樣結(jié)束后再進行數(shù)據(jù)處理和傳輸，幾乎是不可能滿足該超聲探傷系統(tǒng)的實時性要求，而且數(shù)據(jù)量也遠遠超過ARM板上總線接口的傳輸速率2 MB／s。對于這么高的實時性要求，最好的解決辦法是在CPLD內(nèi)部進行數(shù)據(jù)壓縮，即邊采集邊壓縮，以滿足系統(tǒng)使用的ARM板的總線速率要求。經(jīng)過系統(tǒng)評估，每個超聲通道只需保留一個最大值即可滿足系統(tǒng)的性能要求。在這里，通過在三個8位數(shù)A，B，C中找出最大值的例子來說明串行設計方法的優(yōu)勢，代碼如下所示。


程序一是用并行方法設計，而程序二是采用串行方法設計。從表1的實驗數(shù)據(jù)可見，采用串行方法以后，電路的優(yōu)化效果比較明顯。優(yōu)化前，程序一需要消耗38個宏單元(Micro Cell)，一個時鐘周期即可完成找最大值操作；優(yōu)化后，實現(xiàn)相同的邏輯功能程序二僅需要12個宏單元，但需要3個時鐘周期才能完成一次運算，優(yōu)化率達68.4％。值得注意的是，此方法是以速度換取資源的方法，只適用于對速度要求不高的系統(tǒng)。