十年FPGA開發(fā)經(jīng)驗工程師談設計技巧

從大學時代第一次接觸FPGA至今已有10多年的時間，至今記得當初第一次在EDA實驗平臺上完成數(shù)字秒表、搶答器、密碼鎖等實驗時那個興奮勁。當時由于沒有接觸到HDL硬件描述語言，設計都是在MAX+plus II原理圖環(huán)境下用74系列邏輯器件搭建起來的。后來讀研究生，工作陸陸續(xù)續(xù)也用過Quartus II、FoundaTIon、ISE、Libero，并且學習了verilogHDL語言，學習的過程中也慢慢體會到verilog的妙用，原來一小段語言就能完成復雜的原理圖設計，而且語言的移植性可操作性比原理圖設計強很多。

在學習一門技術之前我們往往從它的編程語言入手，比如學習單片機時，我們往往從匯編或者C語言入門。所以不少開始接觸FPGA的開發(fā)人員，往往是從VHDL或者Verilog開始入手學習的。但我個人認為，若能先結合《數(shù)字電路基礎》系統(tǒng)學習各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對于學習HDL語言大有裨益，往往會起到事半功倍的效果。

FPGA設計

當然，任何編程語言的學習都不是一朝一夕的事，經(jīng)驗技巧的積累都是在點滴中完成，F(xiàn)PGA設計也無例外。下面就以我的切身體會，談談FPGA設計的經(jīng)驗技巧。

我們先談一下FPGA基本知識：

1、硬件設計基本原則

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

(1)速度與面積平衡和互換原則：

一個設計如果時序余量較大，所能跑的頻率遠高于設計要求，能可以通過模塊復用來減少整個設計消耗的芯片面積，這就是用速度優(yōu)勢換面積的節(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，那么可以通過數(shù)據(jù)流串并轉換，并行復制多個操作模塊，對整個設計采用“乒乓操作”和“串并轉換”的思想進行處理，在芯片輸出模塊處再對數(shù)據(jù)進行“并串轉換”。從而實現(xiàn)了用面積復制換取速度的提高。

(2)硬件原則：理解HDL本質(zhì)

(3)系統(tǒng)原則：整體把握

(4)同步設計原則：設計時序穩(wěn)定的基本原則

2、Verilog作為一種HDL語言，對系統(tǒng)行為的建模方式是分層次的。比較重要的層次有系統(tǒng)級、算法級、寄存器傳輸級、邏輯級、門級、電路開關級。

3、實際工作中，除了描述仿真測試激勵時使用for循環(huán)語句外，極少在RTL級編碼中使用for循環(huán)，這是因為for循環(huán)會被綜合器展開為所有變量情況的執(zhí)行語句，每個變量獨立占用寄存器資源，不能有效的復用硬件邏輯資源，造成巨大的浪費。一般常用case語句代替。

4、 if…else…和case在嵌套描述時是有很大區(qū)別的，if…else…是有優(yōu)先級的，一般來說，第一個if的優(yōu)先級最高，最后一個else的優(yōu)先級最低。而case語句是平行語句，它是沒有優(yōu)先級的，而建立優(yōu)先級結構需要耗費大量的邏輯資源，所以能用case的地方就不要用if…else…語句。

補充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不帶優(yōu)先級的“平行”語句。

5、FPGA一般觸發(fā)器資源比較豐富，而CPLD組合邏輯資源更豐富。

6、FPGA和CPLD的組成：

FPGA基本有可編程I/O單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等6部分組成。

CPLD的結構相對比較簡單，主要由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線池和其他輔助功能模塊組成。

7、Block RAM：

3種塊RAM結構，M512 RAM(512bit)、M4K RAM(4Kbit)、M-RAM(64Kbit)。

M512 RAM：適合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等;

M4K RAM： 適用于一般的需求

M-RAM： 適合做大塊數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

Xlinx 和 LatTIce FPGA的LUT可以靈活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存儲結構，這種技術被稱為分布式RAM。

補充：但是在一般的設計中，不提倡用FPGA/CPLD的片內(nèi)資源配置成大量的存儲器，這是處于成本的考慮。所以盡量采用外接存儲器。

8、善用芯片內(nèi)部的PLL或DLL資源完成時鐘的分頻、倍頻率、移相等操作，不僅簡化了設計，并且能有效地提高系統(tǒng)的精度和工作穩(wěn)定性。

9、異步電路和同步時序電路的區(qū)別

異步電路：

電路核心邏輯有用組合電路實現(xiàn);

異步時序電路的最大缺點是容易產(chǎn)生毛刺;

不利于器件移植;

不利于靜態(tài)時序分析(STA)、驗證設計時序性能。

同步時序電路：

電路核心邏輯是用各種觸發(fā)器實現(xiàn);

電路主要信號、輸出信號等都是在某個時鐘沿驅(qū)動觸發(fā)器產(chǎn)生的;

同步時序電路可以很好的避免毛刺;

利于器件移植;

利于靜態(tài)時序分析(STA)、驗證設計時序性能。

10、同步設計中，穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采樣必須遵從以下兩個基本原則：

(1)在有效時鐘沿到達前，數(shù)據(jù)輸入至少已經(jīng)穩(wěn)定了采樣寄存器的Setup時間之久，這條原則簡稱滿足Setup時間原則;

(2)在有效時鐘沿到達后，數(shù)據(jù)輸入至少還將穩(wěn)定保持采樣寄存器的Hold時鐘之久，這條原則簡稱滿足Hold時間原則。

11、同步時序設計注意事項：

異步時鐘域的數(shù)據(jù)轉換。

組合邏輯電路的設計方法。

同步時序電路的時鐘設計。

同步時序電路的延遲。同步時序電路的延遲最常用的設計方法是用分頻或者倍頻的時鐘或者同步計數(shù)器完成所需的延遲，對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，根據(jù)計數(shù)產(chǎn)生延遲;對于比較小的延遲，可以用D觸發(fā)器打一下，這樣不僅可以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。另外，還有用行為級方法描述延遲，如“#5 a《=4’0101;”這種常用于仿真測試激勵，但是在電路綜合時會被忽略，并不能起到延遲作用。

Verilog 定義的reg型，不一定綜合成寄存器。在Verilog代碼中最常用的兩種數(shù)據(jù)類型是wire和reg型，一般來說，wire型指定的數(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)。

12、常用設計思想與技巧

(1)乒乓操作;

(2)串并轉換;

(3)流水線操作;

(4)異步時鐘域數(shù)據(jù)同步。是指如何在兩個時鐘不同步的數(shù)據(jù)域之間可靠地進行數(shù)據(jù)交換的問題。數(shù)據(jù)時鐘域不同步主要有兩種情況：

兩個域的時鐘頻率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可測，簡稱為同頻異相問題。

兩個時鐘頻率根本不同，簡稱異頻問題。

兩種不推薦的異步時鐘域操作方法：一種是通過增加Buffer或者其他門延時來調(diào)整采樣;另一種是盲目使用時鐘正負沿調(diào)整數(shù)據(jù)采樣。

13、模塊劃分基本原則：

(1)對每個同步時序設計的子模塊的輸出使用寄存器(用寄存器分割同步時序模塊原則)。

(2)將相關邏輯和可以復用的邏輯劃分在同一模塊內(nèi)(呼應系統(tǒng)原則)。

(3)將不同優(yōu)化目標的邏輯分開。

(4)將送約束的邏輯歸到同一模塊。

(5)將存儲邏輯獨立劃分成模塊。

(6)合適的模塊規(guī)模。

(7)頂層模塊最好不進行邏輯設計。

14、組合邏輯的注意事項

(1)避免組合邏輯反饋環(huán)路(容易毛刺、振蕩、時序違規(guī)等)。

解決：A、牢記任何反饋回路必須包含寄存器;B、檢查綜合、實現(xiàn)報告的warning信息，發(fā)現(xiàn)反饋回路(combinaTIonal loops)后進行相應修改。

(2)替換延遲鏈。

解決：用倍頻、分頻或者同步計數(shù)器完成。

(3)替換異步脈沖產(chǎn)生單元(毛刺生成器)。

解決：用同步時序設計脈沖電路。

(4)慎用鎖存器。

解決：A、使用完備的if…else語句;B、檢查設計中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路;C、對每個輸入條件，設計輸出操作，對case語句設置default 操作。特別是在狀態(tài)機設計中，最好有一個default的狀態(tài)轉移，而且每個狀態(tài)最好也有一個default的操作。D、如果使用case語句時，特別是在設計狀態(tài)機時，盡量附加綜合約束屬性，綜合為完全條件case語句。

小技巧：仔細檢查綜合器的綜合報告，目前大多數(shù)的綜合器對所綜合出的latch都會報“warning”，通過綜合報告可以較為方便地找出無意中生成的latch。

15、時鐘設計的注意事項

1)同步時序電路推薦的時鐘設計方法：

時鐘經(jīng)全局時鐘輸入引腳輸入，通過FPGA內(nèi)部專用的PLL或DLL進行分頻/倍頻、移相等調(diào)整與運算，然后經(jīng)FPGA內(nèi)部全局時鐘布線資源驅(qū)動到達芯片內(nèi)所有寄存器和其他模塊的時鐘輸入端。

FPGA設計者的5項基本功：仿真、綜合、時序分析、調(diào)試、驗證。

對于FPGA設計者來說，練好這5項基本功，與用好相應的EDA工具是同一過程，對應關系如下：

1. 仿真：Modelsim， Quartus II(Simulator Tool)

2. 綜合：Quartus II (Compiler Tool， RTL Viewer， Technology Map Viewer， Chip Planner)

3. 時序：Quartus II (TImeQuest Timing Analyzer， Technology Map Viewer， Chip Planner)

4. 調(diào)試：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer， Virtual JTAG， Assignment Editor)

5. 驗證：Modelsim， Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL語言雖然不是FPGA設計的全部，但是HDL語言對FPGA設計的影響貫穿于整個FPGA設計流程中，與FPGA設計的5項基本功是相輔相成的。

對于FPGA設計者來說，用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設計50%的工作——設計編碼。

練好仿真、綜合、時序分析這3項基本功，對于學習“HDL語言的可綜合子集”有如下幫助：

1. 通過仿真，可以觀察HDL語言在FPGA中的邏輯行為。

2. 通過綜合，可以觀察HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)形式。

3. 通過時序分析，可以分析HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)特性。

對于FPGA設計者來說，用好“HDL語言的驗證子集”，可以完成FPGA設計另外50%的工作——調(diào)試驗證。

1. 搭建驗證環(huán)境，通過仿真的手段可以檢驗FPGA設計的正確性。

2. 全面的仿真驗證可以減少FPGA硬件調(diào)試的工作量。

3. 把硬件調(diào)試與仿真驗證方法結合起來，用調(diào)試解決仿真未驗證的問題，用仿真保證已經(jīng)解決的問題不在調(diào)試中再現(xiàn)，可以建立一個回歸驗證流程，有助于FPGA設計項目的維護。

FPGA 設計者的這5項基本功不是孤立的，必須結合使用，才能完成一個完整的FPGA設計流程。反過來說，通過完成一個完整的設計流程，才能最有效地練習這5項基本功。對這5項基本功有了初步認識，就可以逐個深入學習一些，然后把學到的知識再次用于完整的設計流程。如此反復，就可以逐步提高設計水平。采用這樣的循序漸進、螺旋式上升的方法，只要通過培訓入了門，就可以自學自練，自我提高。

市面上出售的有關FPGA設計的書籍為了保證結構的完整性，對 FPGA設計的每一個方面分開介紹，每一方面雖然深入，但是由于缺少其他相關方面的支持，讀者很難付諸實踐，只有通讀完全書才能對FPGA設計獲得一個整體的認識。這樣的書籍，作為工程培訓指導書不行，可以作為某一個方面進階的參考書。

對于新入職的員工來說，他們往往對FPGA的整體設計流程有了初步認識，5項基本功的某幾個方面可能很扎實。但是由于某個或某幾個方面能力的欠缺，限制了他們獨自完成整個設計流程的能力。入職培訓的目的就是幫助他們掌握整體設計流程，培養(yǎng)自我獲取信息的能力，通過幾個設計流程來回的訓練，形成自我促進、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過程中，隨著對工作涉及的知識的廣度和深度的認識逐步清晰，新員工的自信心也會逐步增強，對個人的發(fā)展方向也會逐步明確，才能積極主動地參與到工程項目中來。

最后總結幾點：

1)看代碼，建模型

只有在腦海中建立了一個個邏輯模型，理解FPGA內(nèi)部邏輯結構實現(xiàn)的基礎，才能明白為什么寫Verilog和寫C整體思路是不一樣的，才能理解順序執(zhí)行語言和并行執(zhí)行語言的設計方法上的差異。在看到一段簡單程序的時候應該想到是什么樣的功能電路。

2)用數(shù)學思維來簡化設計邏輯

學習FPGA不僅邏輯思維很重要，好的數(shù)學思維也能讓你的設計化繁為簡，所以啊，那些看見高數(shù)就頭疼的童鞋需要重視一下這門課哦。舉個簡單的例子，比如有兩個32bit的數(shù)據(jù)X[31:0]與Y[31:0]相乘。當然，無論Altera還是Xilinx都有現(xiàn)成的乘法器IP核可以調(diào)用，這也是最簡單的方法，但是兩個32bit的乘法器將耗費大量的資源。那么有沒有節(jié)省資源，又不太復雜的方式來實現(xiàn)呢?我們可以稍做修改：

將X[31:0]拆成兩部分X1[15:0]和X2[15:0]，令X1[15:0]=X[31:16]，X2[15:0]=X[15:0]，則X1左移16位后與X2相加可以得到X;同樣將Y[31:0]拆成兩部分Y1[15:0]和Y2[15:0]，令 Y1[15:0]=Y[31:16]，Y2[15:0]=Y[15:0]，則Y1左移16位后與Y2相加可以得到Y;則X與Y的相乘可以轉化為X1和X2 分別與Y1和Y2相乘，這樣一個32bit*32bit的乘法運算轉換成了四個16bit*16bit的乘法運算和三個32bit的加法運算。轉換后的占用資源將會減少很多，有興趣的童鞋，不妨綜合一下看看，看看兩者差多少。

3)時鐘與觸發(fā)器的關系

“時鐘是時序電路的控制者” 這句話太經(jīng)典了，可以說是FPGA設計的圣言。FPGA的設計主要是以時序電路為主，因為組合邏輯電路再怎么復雜也變不出太多花樣，理解起來也不沒太多困難。但是時序電路就不同了，它的所有動作都是在時鐘一拍一拍的節(jié)奏下轉變觸發(fā)，可以說時鐘就是整個電路的控制者，控制不好，電路功能就會混亂。

打個比方，時鐘就相當于人體的心臟，它每一次的跳動就是觸發(fā)一個 CLK，向身體的各個器官供血，維持著機體的正常運作，每一個器官體統(tǒng)正常工作少不了組織細胞的構成，那么觸發(fā)器就可以比作基本單元組織細胞。時序邏輯電路的時鐘是控制時序邏輯電路狀態(tài)轉換的“發(fā)動機”，沒有它時序邏輯電路就不能正常工作，因為時序邏輯電路主要是利用觸發(fā)器存儲電路的狀態(tài)，而觸發(fā)器狀態(tài)變換需要時鐘的上升或下降沿!由此可見時鐘在時序電路中的核心作用!

最后簡單說一下體會吧，歸結起來就多實踐、多思考、多問。實踐出真知，看 100遍別人的方案不如自己去實踐一下。實踐的動力一方面來自興趣，一方面來自壓力，我個人覺得后者更重要。有需求會容易形成壓力，也就是說最好能在實際的項目開發(fā)中鍛煉，而不是為了學習而學習。在實踐的過程中要多思考，多想想問題出現(xiàn)的原因，問題解決后要多問幾個為什么，這也是經(jīng)驗積累的過程，如果有寫項目日志的習慣更好，把問題及原因、解決的辦法都寫進去。最后還要多問，遇到問題思索后還得不到解決就要問了，畢竟個人的力量是有限的，問同學同事、問搜索引擎、問網(wǎng)友都可以，一篇文章、朋友們的點撥都可能幫助自己快速解決問題。