FPGA相關(guān)名詞概念總結(jié)

有想法把最近看到關(guān)于FPGA相關(guān)的(名詞)概念做個(gè)總結(jié)，解釋內(nèi)容主要來自其他博客，我只加部分個(gè)人理解，做個(gè)拾荒者，撿其重點(diǎn)，作為摘錄，文末羅列參考資料。

1、異步復(fù)位、同步釋放

1.1.解釋

同步復(fù)位：需要時(shí)鐘參與，一般只有時(shí)鐘上升沿到來復(fù)位信號(hào)才有效;

異步復(fù)位：不需要時(shí)鐘參與，只要復(fù)位信號(hào)一有效就立即進(jìn)行復(fù)位操作;

1.2.優(yōu)缺點(diǎn)

同步復(fù)位：防止復(fù)位信號(hào)的毛刺引起誤復(fù)位操作，利于靜態(tài)時(shí)序分析;較異步復(fù)位更消耗邏輯資源，復(fù)位信號(hào)脈沖寬度必須大于時(shí)鐘周期，同步復(fù)位依賴于時(shí)鐘;

異步復(fù)位：無需額外的邏輯資源，復(fù)位信號(hào)不依賴于時(shí)鐘;容易受毛刺影響，如果復(fù)位釋放恰好在時(shí)鐘有效沿附近容易使寄存器輸出亞穩(wěn)態(tài);

1.3.CODE

同步復(fù)位：

異步復(fù)位，同步釋放(Synchronized Asynchronous Reset)：目的為了防止復(fù)位信號(hào)在撤除時(shí)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

異步復(fù)位：將復(fù)位信號(hào)rst_n接入到DFF的清零端，不存在復(fù)位信號(hào)必須要檢測到大于一個(gè)時(shí)鐘周期才能被檢測到的局限，只要rst_n則將rst_s1，rst_s2賦0。

同步釋放：當(dāng)rst_n重新拉回高電平，進(jìn)行removal，時(shí)鐘參與。

或：異步復(fù)位、同步釋放(考慮上電延遲)

2、觸發(fā)器與鎖存器

2.1.解釋

觸發(fā)器Flip-Flop：收到輸入脈沖，觸發(fā)器輸出根據(jù)賦值規(guī)則作出改變，保持此狀態(tài)知道下一個(gè)觸發(fā)。。。對時(shí)鐘邊沿敏感，其狀態(tài)只在時(shí)鐘的上升沿或者下降沿的瞬間改變;

鎖存器Latch：兩輸入，EN和DATA_IN，當(dāng)電平EN有效時(shí)，鎖存器處于使能狀態(tài)，輸出數(shù)據(jù)Q隨輸入數(shù)據(jù)DATA_IN變化，否則數(shù)據(jù)被鎖存;

2.2.區(qū)別

latch跟它所有的輸入信號(hào)有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，latch就變化，沒有時(shí)鐘觸發(fā);flip_flop受時(shí)鐘控制，只有時(shí)鐘沿觸發(fā)時(shí)才采樣當(dāng)前輸入，產(chǎn)生輸出。

1)latch由電平觸發(fā)，非同步控制。在使能信號(hào)有效時(shí)latch等效于通路，使能信號(hào)無效時(shí)latch保持輸出狀態(tài);flip_flop由時(shí)鐘沿觸發(fā)，同步控制;

2)latch對輸入電平敏感，受布線延遲影響較大，很難保證輸出沒有毛刺產(chǎn)生;flip_flop不易產(chǎn)生毛刺;

3)latch消耗的門資源比flip_flop少，但是其靜態(tài)時(shí)序分析更為復(fù)雜;

2.3.CODE

針對網(wǎng)上博客所說，容易生成鎖存器的四種情況：1)if語句結(jié)束無else;2)case語句結(jié)束無default;3)輸出變量無賦初值;4)always@ (敏感信號(hào))。我嘗試過1)，2)兩種情況，遺憾的是，在Vivado17.2中綜合后查看Schematic并沒有看到有鎖存器，就下邊這段而言，case有無default，Schematic上看到的都是由FDCE(D觸發(fā)器)和LUT(查找表)等元素組成，如圖1所示。

圖1 case有無default后的Schematic

有博主是通過QUARTUS II中的Technology Map View查看門級(jí)電路，確是論證了上述四種情況，因?yàn)槲乙矝]用過QUARTUS II所以不進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)了，不過，綜合后如果出現(xiàn)鎖存器，Vivado17.2會(huì)在“Messege”窗口警告提示有l(wèi)atch。

3、以太網(wǎng)接口

這兒所說的以太網(wǎng)接口只是其中三種，GMII，RGMII，SGMII，也是實(shí)驗(yàn)室所用的三種。首先說明一下MII(Media Independent Interface)，不用考慮媒體材料是銅軸、電纜還是光纖，媒體處理的相關(guān)工作都有MAC芯片或者PHY來完成，MII支持10/100兆接口速率，而GMII(Gigabit MII)支持1000兆，同時(shí)往下兼容10/100兆速率。

3.1.GMII接口

GMII(Gigabit Media Independent Interface)，數(shù)據(jù)位寬8bit，發(fā)送參考時(shí)鐘和接收參考時(shí)鐘均為125M，上升沿對數(shù)據(jù)采樣，125M*8bit=1000Mbps。

3.2.RGMII接口

RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)，數(shù)據(jù)位寬4bit，發(fā)送參考時(shí)鐘和接收參考時(shí)鐘均為125M，上升沿發(fā)送GMII接口中的TXD[3:0]/RXD[3:0];在下降沿發(fā)送GMII接口中的TXD[7:4]/RXD[7:4]。這樣速率就是125M*4bit*2=1000Mbps。向下兼容，取參考時(shí)鐘為2.5M/25M，則接口速率為10/100Mbps。

拓展：DDR3也是上升沿下降沿采樣，主時(shí)鐘為400M，用戶時(shí)鐘為100M，突發(fā)長度為8，數(shù)據(jù)位寬為256bit，存儲(chǔ)位寬為32bit，則MIG IP核的用戶接口和內(nèi)部存儲(chǔ)接口速率匹配：100M*256bit=400M*32bit*2

3.3.SGMII接口

SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)，既然是串行，那么數(shù)據(jù)位寬1bit，收發(fā)各有一對差分信號(hào)線，工作時(shí)鐘由PHY提供，頻率為625M，時(shí)鐘的上升沿和下降沿均采樣，考慮到IP核對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行了8b/10b編碼，所以有效數(shù)據(jù)傳輸速率為625M*1bit*2*8b/10b=1000Mbps。

拓展：關(guān)于這個(gè)8/10b編碼，最早由IBM發(fā)明應(yīng)用，在pcie、hdmi及USB接口中均有體現(xiàn)，8/10b編碼是高速串行總線常用的編碼方式，為了保證直流平衡(數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)的0/1數(shù)量基本一致，連續(xù)的0/1不超過5個(gè))。。。hdmi中最小化傳輸差分信號(hào)的8/10b編碼的前8位由原始數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算獲得，第9位是“運(yùn)算方式位”，表示前邊8位是異或還是異或非等方式進(jìn)行編碼，第10位是為了保證直流平衡。

4、FPGA設(shè)計(jì)思想與技巧//2018-6-20 1640

4.1.乒乓操作

在第一個(gè)緩沖周期，將輸入數(shù)據(jù)緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”;

在第二個(gè)緩沖周期，通過“輸入選擇單元”切換，將輸入數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”中，同時(shí)將“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”緩存的第一個(gè)周期數(shù)據(jù)通過“輸出選擇單元”的選擇，送到”數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊“進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;

在第三個(gè)緩沖周期，再次通過“輸入選擇單元”切換，將輸入數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”中，同時(shí)將”數(shù)據(jù)緩沖模塊2“緩存的第二個(gè)周期數(shù)據(jù)通過”輸出選擇單元“的選擇，送到”數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊“進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;

如此循環(huán)。。。

4.2.串并轉(zhuǎn)換

串并轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)根據(jù)數(shù)據(jù)的排序和數(shù)量要求，可以選用寄存器、RAM等實(shí)現(xiàn)。乒乓操作就是通過DPRAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，由于使用DPRAM，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以設(shè)置很大，，，對于數(shù)量較小的設(shè)計(jì)采用寄存器，如：temp<={ temp, srl_in }

4.3.流水操作

一種處理流程和順序操作的設(shè)計(jì)思想，多使用寄存器以換取面積和速度

4.4.數(shù)據(jù)接口同步化

這里的數(shù)據(jù)可以是單bit數(shù)據(jù)也可以是多位寬數(shù)據(jù)，多位寬數(shù)據(jù)的話例化異步FIFO即可，這里主要討論的是高頻采低頻的單bit(控制信號(hào)，脈沖使能信號(hào)等)。在文檔“Crossing the abyss: Asynchronous signals in a synchronous world”中提及三種方法：1,.電平同步器(打拍，雙鎖存器法);2.邊沿同步器;3.脈沖同步器(推薦，但是工程中覺得要例化這個(gè)模塊很麻煩，還不如直接打兩拍來得快)，下邊給出網(wǎng)上的脈沖同步器源代碼，實(shí)測仿真可行。//Edited by LIUWF 設(shè)計(jì)思想：原時(shí)鐘域下將原脈沖轉(zhuǎn)為電平，然后在現(xiàn)時(shí)鐘域下將輸入電平打兩拍，再異或處理得到現(xiàn)時(shí)鐘域下的脈沖//

5、接口、總線與協(xié)議//2018-6-21 1542

在口頭表達(dá)上，我總是把PCIe接口/總線/協(xié)議混為一談，沒有細(xì)致地作區(qū)分。昨晚跟室友討論到這個(gè)點(diǎn)，在接口和協(xié)議部分達(dá)成了“共識(shí)”，當(dāng)然，在總線部分也有一些小分歧，下邊就這三種簡練的説一下。

5.1.接口

接口理解為一類設(shè)備口。比如USB口、網(wǎng)口、PCIe口以及SATA口等

5.2.總線

總線這部分我理解是高速(差分)通道，IP核實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，其實(shí)PCIe，MAC，SATA等都是基于Serdes接口傳輸?shù)?，換言之，底層都是Serdes串行高速信號(hào)傳輸，但是到IP層根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以是PCIe，MAC或者SATA。

5.3.協(xié)議

協(xié)議和接口一樣比較好理解：傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)則。比如PCIe每種TLP包有特定的包頭封裝規(guī)則;MAC的數(shù)據(jù)頭部字段是0x55d5;

審核編輯：湯梓紅