基于FPGA的VHDL語言電路優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

　　VHDL（Very High Speed Integrated CIRCUITHARDWARE DESCRIPTION Language）是IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)計數(shù)字系統(tǒng)中最重要的標(biāo)準(zhǔn)語言之一。由于VHDL在語法和風(fēng)格上類似于高級編程語言，可讀性好，描述能力強(qiáng)，設(shè)計方法靈活，可移植性強(qiáng)，因此它已成為廣大EDA工程師的首選。目前，使用VHDL語言進(jìn)行CPLD／FPGA設(shè)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(qiáng)大開發(fā)工具。但由于VHDL設(shè)計是行為級設(shè)計，所帶來的問題是設(shè)計者的設(shè)計思想與電路結(jié)構(gòu)相脫節(jié)，而且其在設(shè)計思路和編程風(fēng)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(shè)計當(dāng)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(shè)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(biāo)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(shè)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(shè)計、防止不必要鎖存器的產(chǎn)生、使用狀態(tài)機(jī)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(jìn)行優(yōu)化。

　　1 VHDL電路優(yōu)化設(shè)計的方法

　　優(yōu)化設(shè)計是可編成邏輯設(shè)計的精華所在，如何節(jié)省所占用的面積、如何提高設(shè)計的性能是可編成邏輯設(shè)計的核心，這兩點往往也成為一個設(shè)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(shè)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(shè)計代替并行設(shè)計

　　串行設(shè)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(fù)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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)*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(shè)計方法的優(yōu)勢，代碼如下所示。

程序一是用并行方法設(shè)計，而程序二是采用串行方法設(shè)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(yùn)算，優(yōu)化率達(dá)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)。

1.2 防止不必要鎖存器的產(chǎn)生

　　在VHDL設(shè)計中，使用語句不當(dāng)也是導(dǎo)致電路復(fù)雜化的原因之一，這使得綜合后的電路當(dāng)中存在很多不必要的鎖存器，降低電路的工作速度。因此，在設(shè)計一個邏輯電路時，設(shè)計人員應(yīng)該避免由于VHDL使用習(xí)慣的問題，無意識地在電路中添加不必要的鎖存器。由于IF或者CASE語句較容易引入鎖存器，所以當(dāng)語句的判斷條件不能覆蓋所有可能的輸入值的時候，邏輯反饋就容易形成一個鎖存器。當(dāng)然，隨著高級編譯軟件的出現(xiàn)，如QuartusⅡ7.2，這樣的問題通過編譯軟件已經(jīng)得到很好的解決。對一個設(shè)計人員而言，有意識地防止不必要鎖存器的產(chǎn)生可以加快編譯速度?！　?/p>

　　在超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡VHDL程序設(shè)計當(dāng)中，涉及10 MHz系統(tǒng)時鐘clk的同步D觸發(fā)器的設(shè)計，即每當(dāng)clk時鐘信號的上升沿到來時，將輸入信號in的值賦給輸出信號out，代碼如下所示。

通過對比，程序四比程序三只多了一條空語句，但這樣做可有效防止綜合器生成不必要鎖存器，并提高電路的工作速度。

　　1.3 使用狀態(tài)機(jī)簡化電路描述

　　由于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式簡單，有相對固定的設(shè)計模板，特別是VHDL支持定義符號化枚舉類型狀態(tài)，這就為VHDL綜合器充分發(fā)揮其強(qiáng)大的優(yōu)化功能提供了有利條件。因此采用狀態(tài)機(jī)比較容易地設(shè)計出高性能的時序邏輯模塊，在超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡的CPLD程序設(shè)計中，使用有限元狀態(tài)機(jī)（FSM）設(shè)計CY7CA225 1K×16 b FIFO芯片的讀寫控制模塊，并且達(dá)到很好的效果，邏輯轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。實踐證明，實現(xiàn)相同的邏輯功能，使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計能使設(shè)計的電路得到更好的優(yōu)化。


1.4 資源共享

　　資源共享的思想是通過使用數(shù)據(jù)緩沖器或多路選擇器等方法來共享數(shù)據(jù)通道中占用資源較多的模塊，如算法單元。通過共享電路單元模塊可有效提高芯片內(nèi)部資源的利用率，達(dá)到優(yōu)化電路的目的。

　　1.5 利用E2PROM芯片節(jié)省片內(nèi)資源

　　在用VHDL進(jìn)行項目開發(fā)的過程中，經(jīng)常需要存儲一些配置參數(shù)值。理論上講，每存儲一個字節(jié)的配置參數(shù)需要使用8個CPLD宏單元，因此在CPLD內(nèi)部存儲這些參數(shù)并不是好的方案，除非使用的CPLD芯片已集成了E2PROM存儲單元。例如，在設(shè)計超聲探傷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的過程中，每個通道的采樣數(shù)都需要保存在CPLD里面。由于項目初期芯片選型不當(dāng)，選擇一款EPM7192S160-15，該款芯片內(nèi)部只有192個宏單元，因此考慮把參數(shù)存儲在外擴(kuò)的E2PROM芯片24WC02中。經(jīng)實驗證明，在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)一個I2C控制器僅需要43個宏單元。由此可見，當(dāng)初始化參數(shù)大于5個的時候，通過外擴(kuò)E2PROM芯片來存儲配置參數(shù)是可行的，只需在CPLD／FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)I2C控制器即可方便地讀寫E2PROM存儲芯片。

　　2 結(jié)語

　　使用VHDL進(jìn)行CPLD／FPGA電路設(shè)計時，要根據(jù)實際項目的具體情況，合理地劃分項目功能，并用VHDL實現(xiàn)相應(yīng)的功能模塊。用模塊來構(gòu)建系統(tǒng)，可有效地優(yōu)化模塊間的結(jié)構(gòu)和減少系統(tǒng)的冗余度，并在模塊設(shè)計過程中始終貫徹以上的優(yōu)化設(shè)計原則，借助于強(qiáng)大的綜合開發(fā)軟件進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到最優(yōu)化電路的目的。