同步時(shí)序設(shè)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析等fpga設(shè)計(jì)技巧剖析

在學(xué)習(xí)一門技術(shù)之前我們往往從它的編程語言入手，比如學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)，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(xué)習(xí)的。但我個(gè)人認(rèn)為，若能先結(jié)合《數(shù)字電路基礎(chǔ)》系統(tǒng)學(xué)習(xí)各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對(duì)于學(xué)習(xí)HDL語言大有裨益，往往會(huì)起到事半功倍的效果。

當(dāng)然，任何編程語言的學(xué)習(xí)都不是一朝一夕的事，經(jīng)驗(yàn)技巧的積累都是在點(diǎn)滴中完成，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)也無例外。下面就以我的切身體會(huì)，談?wù)凢PGA設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)技巧。

我們先談一下FPGA基本知識(shí)：

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領(lǐng)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(diǎn)。

1、硬件設(shè)計(jì)基本原則

（1）速度與面積平衡和互換原則：一個(gè)設(shè)計(jì)如果時(shí)序余量較大，所能跑的頻率遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，能可以通過模塊復(fù)用來減少整個(gè)設(shè)計(jì)消耗的芯片面積，這就是用速度優(yōu)勢(shì)換面積的節(jié)約；反之，如果一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序要求很高，普通方法達(dá)不到設(shè)計(jì)頻率，那么可以通過數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個(gè)操作模塊，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)采用“乒乓操作”和“串并轉(zhuǎn)換”的思想進(jìn)行處理，在芯片輸出模塊處再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“并串轉(zhuǎn)換”。從而實(shí)現(xiàn)了用面積復(fù)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(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)時(shí)序穩(wěn)定的基本原則

2、Verilog作為一種HDL語言，對(duì)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(jí)、算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯級(jí)、門級(jí)、電路開關(guān)級(jí)。

3、實(shí)際工作中，除了描述仿真測(cè)試激勵(lì)時(shí)使用for循環(huán)語句外，極少在RTL級(jí)編碼中使用for循環(huán)，這是因?yàn)閒or循環(huán)會(huì)被綜合器展開為所有變量情況的執(zhí)行語句，每個(gè)變量獨(dú)立占用寄存器資源，不能有效的復(fù)用硬件邏輯資源，造成巨大的浪費(fèi)。一般常用case語句代替。

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

補(bǔ)充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不帶優(yōu)先級(jí)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(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)被稱為分布式RAM。

補(bǔ)充：但是在一般的設(shè)計(jì)中，不提倡用FPGA/CPLD的片內(nèi)資源配置成大量的存儲(chǔ)器，這是處于成本的考慮。所以盡量采用外接存儲(chǔ)器。

8、善用芯片內(nèi)部的PLL或DLL資源完成時(shí)鐘的分頻、倍頻率、移相等操作，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，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(shí)序電路的區(qū)別

異步電路：

電路核心邏輯有用組合電路實(shí)現(xiàn)；

異步時(shí)序電路的最大缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生毛刺；

不利于器件移植；

不利于靜態(tài)時(shí)序分析（STA）、驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)序性能。

同步時(shí)序電路：

電路核心邏輯是用各種觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)；

電路主要信號(hào)、輸出信號(hào)等都是在某個(gè)時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生的；

同步時(shí)序電路可以很好的避免毛刺；

利于器件移植；

利于靜態(tài)時(shí)序分析（STA）、驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)序性能。

10、同步設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采樣必須遵從以下兩個(gè)基本原則：

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

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

11、同步時(shí)序設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。

同步時(shí)序電路的時(shí)鐘設(shè)計(jì)。

同步時(shí)序電路的延遲。同步時(shí)序電路的延遲最常用的設(shè)計(jì)方法是用分頻或者倍頻的時(shí)鐘或者同步計(jì)數(shù)器完成所需的延遲，對(duì)比較大的和特殊定時(shí)要求的延時(shí)，一般用高速時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)產(chǎn)生延遲；對(duì)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(hào)延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期，而且完成了信號(hào)與時(shí)鐘的初次同步。在輸入信號(hào)采樣和增加時(shí)序約束余量中使用。另外，還有用行為級(jí)方法描述延遲，如“#5 a《=4’0101;”這種常用于仿真測(cè)試激勵(lì)，但是在電路綜合時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)，而reg型指定的數(shù)據(jù)不一定就是用寄存器實(shí)現(xiàn)。

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12、常用設(shè)計(jì)思想與技巧

（1）乒乓操作；

（2）串并轉(zhuǎn)換；

（3）流水線操作；

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

兩個(gè)域的時(shí)鐘頻率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可測(cè)，簡(jiǎn)稱為同頻異相問題。

兩個(gè)時(shí)鐘頻率根本不同，簡(jiǎn)稱異頻問題。

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

13、模塊劃分基本原則：

（1）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（用寄存器分割同步時(shí)序模塊原則）。

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

（3）將不同優(yōu)化目標(biāo)的邏輯分開。

（4）將送約束的邏輯歸到同一模塊。

（5）將存儲(chǔ)邏輯獨(dú)立劃分成模塊。

（6）合適的模塊規(guī)模。

（7）頂層模塊最好不進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。

14、組合邏輯的注意事項(xiàng)

（1）避免組合邏輯反饋環(huán)路（容易毛刺、振蕩、時(shí)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(shí)現(xiàn)報(bào)告的warning信息，發(fā)現(xiàn)反饋回路（combinational loops）后進(jìn)行相應(yīng)修改。

（2）替換延遲鏈。

解決：用倍頻、分頻或者同步計(jì)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(shí)序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路；

C、對(duì)每個(gè)輸入條件，設(shè)計(jì)輸出操作，對(duì)case語句設(shè)置default操作。特別是在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中，最好有一個(gè)default的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而且每個(gè)狀態(tài)最好也有一個(gè)default的操作。

D、如果使用case語句時(shí)，特別是在設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)時(shí)，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(xì)檢查綜合器的綜合報(bào)告，目前大多數(shù)的綜合器對(duì)所綜合出的latch都會(huì)報(bào)“warning”，通過綜合報(bào)告可以較為方便地找出無意中生成的latch。

15、時(shí)鐘設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

（1）同步時(shí)序電路推薦的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法：

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

FPGA設(shè)計(jì)者的5項(xiàng)基本功：仿真、綜合、時(shí)序分析、調(diào)試、驗(yàn)證。

對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說，練好這5項(xiàng)基本功，與用好相應(yīng)的EDA工具是同一過程，對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)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(yàn)證：Modelsim， Quartus II（Test Bench Template Writer）

掌握HDL語言雖然不是FPGA設(shè)計(jì)的全部，但是HDL語言對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的影響貫穿于整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)流程中，與FPGA設(shè)計(jì)的5項(xiàng)基本功是相輔相成的。

對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說，用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設(shè)計(jì)50%的工作——設(shè)計(jì)編碼。

練好仿真、綜合、時(shí)序分析這3項(xiàng)基本功，對(duì)于學(xué)習(xí)“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(shí)現(xiàn)形式。

3、通過時(shí)序分析，可以分析HDL語言在FPGA中的物理實(shí)現(xiàn)特性。

對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說，用好“HDL語言的驗(yàn)證子集”，可以完成FPGA設(shè)計(jì)另外50%的工作——調(diào)試驗(yàn)證。

1、搭建驗(yàn)證環(huán)境，通過仿真的手段可以檢驗(yàn)FPGA設(shè)計(jì)的正確性。

2、全面的仿真驗(yàn)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(yàn)證方法結(jié)合起來，用調(diào)試解決仿真未驗(yàn)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(gè)回歸驗(yàn)證流程，有助于FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目的維護(hù)。

FPGA設(shè)計(jì)者的這5項(xiàng)基本功不是孤立的，必須結(jié)合使用，才能完成一個(gè)完整的FPGA設(shè)計(jì)流程。反過來說，通過完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程，才能最有效地練習(xí)這5項(xiàng)基本功。對(duì)這5項(xiàng)基本功有了初步認(rèn)識(shí)，就可以逐個(gè)深入學(xué)習(xí)一些，然后把學(xué)到的知識(shí)再次用于完整的設(shè)計(jì)流程。如此反復(fù)，就可以逐步提高設(shè)計(jì)水平。采用這樣的循序漸進(jìn)、螺旋式上升的方法，只要通過培訓(xùn)入了門，就可以自學(xué)自練，自我提高。

市面上出售的有關(guān)FPGA設(shè)計(jì)的書籍為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的每一個(gè)方面分開介紹，每一方面雖然深入，但是由于缺少其他相關(guān)方面的支持，讀者很難付諸實(shí)踐，只有通讀完全書才能對(duì)FPGA設(shè)計(jì)獲得一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。這樣的書籍，作為工程培訓(xùn)指導(dǎo)書不行，可以作為某一個(gè)方面進(jìn)階的參考書。

對(duì)于新入職的員工來說，他們往往對(duì)FPGA的整體設(shè)計(jì)流程有了初步認(rèn)識(shí)，5項(xiàng)基本功的某幾個(gè)方面可能很扎實(shí)。但是由于某個(gè)或某幾個(gè)方面能力的欠缺，限制了他們獨(dú)自完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程的能力。入職培訓(xùn)的目的就是幫助他們掌握整體設(shè)計(jì)流程，培養(yǎng)自我獲取信息的能力，通過幾個(gè)設(shè)計(jì)流程來回的訓(xùn)練，形成自我促進(jìn)、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過程中，隨著對(duì)工作涉及的知識(shí)的廣度和深度的認(rèn)識(shí)逐步清晰，新員工的自信心也會(huì)逐步增強(qiáng)，對(duì)個(gè)人的發(fā)展方向也會(huì)逐步明確，才能積極主動(dòng)地參與到工程項(xiàng)目中來。

最后總結(jié)幾點(diǎn)：

1）看代碼，建模型

只有在腦海中建立了一個(gè)個(gè)邏輯模型，理解FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)方法上的差異。在看到一段簡(jiǎn)單程序的時(shí)候應(yīng)該想到是什么樣的功能電路。

例如：

2）用數(shù)學(xué)思維來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)邏輯

學(xué)習(xí)FPGA不僅邏輯思維很重要，好的數(shù)學(xué)思維也能讓你的設(shè)計(jì)化繁為簡(jiǎn)，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(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如有兩個(gè)32bit的數(shù)據(jù)X［31:0］與Y［31:0］相乘。當(dāng)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(jiǎn)單的方法，但是兩個(gè)32bit的乘法器將耗費(fèi)大量的資源。那么有沒有節(jié)省資源，又不太復(fù)雜的方式來實(shí)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(jié);則X與Y的相乘可以轉(zhuǎn)化為X1和X2 分別與Y1和Y2相乘，這樣一個(gè)32bit*32bit的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成了四個(gè)16bit*16bit的乘法運(yùn)算和三個(gè)32bit的加法運(yùn)算。轉(zhuǎn)換后的占用資源將會(huì)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(shí)鐘與觸發(fā)器的關(guān)系

“時(shí)鐘是時(shí)序電路的控制者”這句話太經(jīng)典了，可以說是FPGA設(shè)計(jì)的圣言。FPGA的設(shè)計(jì)主要是以時(shí)序電路為主，因?yàn)榻M合邏輯電路再怎么復(fù)雜也變不出太多花樣，理解起來也不沒太多困難。但是時(shí)序電路就不同了，它的所有動(dòng)作都是在時(shí)鐘一拍一拍的節(jié)奏下轉(zhuǎn)變觸發(fā)，可以說時(shí)鐘就是整個(gè)電路的控制者，控制不好，電路功能就會(huì)混亂。

打個(gè)比方，時(shí)鐘就相當(dāng)于人體的心臟，它每一次的跳動(dòng)就是觸發(fā)一個(gè) CLK，向身體的各個(gè)器官供血，維持著機(jī)體的正常運(yùn)作，每一個(gè)器官體統(tǒng)正常工作少不了組織細(xì)胞的構(gòu)成，那么觸發(fā)器就可以比作基本單元組織細(xì)胞。時(shí)序邏輯電路的時(shí)鐘是控制時(shí)序邏輯電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，沒有它時(shí)序邏輯電路就不能正常工作，因?yàn)闀r(shí)序邏輯電路主要是利用觸發(fā)器存儲(chǔ)電路的狀態(tài)，而觸發(fā)器狀態(tài)變換需要時(shí)鐘的上升或下降沿！由此可見時(shí)鐘在時(shí)序電路中的核心作用！

最后簡(jiǎn)單說一下體會(huì)吧，歸結(jié)起來就多實(shí)踐、多思考、多問。實(shí)踐出真知，看100遍別人的方案不如自己去實(shí)踐一下。實(shí)踐的動(dòng)力一方面來自興趣，一方面來自壓力，我個(gè)人覺得后者更重要。有需求會(huì)容易形成壓力，也就是說最好能在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中鍛煉，而不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。在實(shí)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(gè)為什么，這也是經(jīng)驗(yàn)積累的過程，如果有寫項(xiàng)目日志的習(xí)慣更好，把問題及原因、解決的辦法都寫進(jìn)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(gè)人的力量是有限的，問同學(xué)同事、問搜索引擎、問網(wǎng)友都可以，一篇文章、朋友們的點(diǎn)撥都可能幫助自己快速解決問題。