FPGA/CPLD常用的四種設(shè)計(jì)方法

數(shù)據(jù)接口的同步方法

數(shù)據(jù)接口的同步是FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，也是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，很多設(shè)計(jì)不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問(wèn)題。

在電路圖設(shè)計(jì)階段，一些工程師手工加入BUFT或者非門(mén)調(diào)整數(shù)據(jù)延遲，從而保證本級(jí)模塊的時(shí)鐘對(duì)上級(jí)模塊數(shù)據(jù)的建立、保持時(shí)間要求。還有一些工程師為了有穩(wěn)定的采樣，生成了很多相差90度的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)而用正沿打一下數(shù)據(jù)，時(shí)而用負(fù)沿打一下數(shù)據(jù)，用以調(diào)整數(shù)據(jù)的采樣位置。這兩種做法都十分不可取，因?yàn)橐坏┬酒聯(lián)Q代或者移植到其它芯片組的芯片上，采樣實(shí)現(xiàn)必須從新設(shè)計(jì)。而且，這兩種做法造成電路實(shí)現(xiàn)的余量不夠，一旦外界條件變換(比如溫度升高)，采樣時(shí)序就有可能完全紊亂，造成電路癱瘓。

下面簡(jiǎn)單介紹幾種不同情況下數(shù)據(jù)接口的同步方法：

1. 輸入、輸出的延時(shí)(芯片間、PCB布線、一些驅(qū)動(dòng)接口元件的延時(shí)等)不可測(cè)，或者有可能變動(dòng)的條件下，如何完成數(shù)據(jù)同步？

對(duì)于數(shù)據(jù)的延遲不可測(cè)或變動(dòng)，就需要建立同步機(jī)制，可以用一個(gè)同步使能或同步指示信號(hào)。另外，使數(shù)據(jù)通過(guò)RAM或者FIFO的存取，也可以達(dá)到數(shù)據(jù)同步目的。

把數(shù)據(jù)存放在RAM或FIFO的方法如下：將上級(jí)芯片提供的數(shù)據(jù)隨路時(shí)鐘作為寫(xiě)信號(hào)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM或者FIFO，然后使用本級(jí)的采樣時(shí)鐘(一般是數(shù)據(jù)處理的主時(shí)鐘)將數(shù)據(jù)讀出來(lái)即可。這種做法的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM或者FIFO要可靠，如果使用同步RAM或者FIFO，就要求應(yīng)該有一個(gè)與數(shù)據(jù)相對(duì)延遲關(guān)系固定的隨路指示信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是數(shù)據(jù)的有效指示，也可以是上級(jí)模塊將數(shù)據(jù)打出來(lái)的時(shí)鐘。對(duì)于慢速數(shù)據(jù)，也可以采樣異步RAM或者FIFO，但是不推薦這種做法。

數(shù)據(jù)是有固定格式安排的，很多重要信息在數(shù)據(jù)的起始位置，這種情況在通信系統(tǒng)中非常普遍。通訊系統(tǒng)中，很多數(shù)據(jù)是按照“幀”組織的。而由于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘要求很高，常常專門(mén)設(shè)計(jì)一塊時(shí)鐘板完成高精度時(shí)鐘的產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)。而數(shù)據(jù)又是有起始位置的，如何完成數(shù)據(jù)的同步，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“頭”呢？

數(shù)據(jù)的同步方法完全可以采用上面的方法，采用同步指示信號(hào)，或者使用RAM、FIFO緩存一下。
串并轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)的排序和數(shù)量的要求，可以選用寄存器、RAM等實(shí)現(xiàn)。前面在乒乓操作的圖例中，就是通過(guò)DPRAM實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，而且由于使用了DPRAM，數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)可以開(kāi)得很大，對(duì)于數(shù)量比較小的設(shè)計(jì)可以采用寄存器完成串并轉(zhuǎn)換。如無(wú)特殊需求，應(yīng)該用同步時(shí)序設(shè)計(jì)完成串并之間的轉(zhuǎn)換。比如數(shù)據(jù)從串行到并行，數(shù)據(jù)排列順序是高位在前，可以用下面的編碼實(shí)現(xiàn)：

prl_temp={prl_temp,srl_in};

其中，prl_temp是并行輸出緩存寄存器，srl_in是串行數(shù)據(jù)輸入。

對(duì)于排列順序有規(guī)定的串并轉(zhuǎn)換，可以用case語(yǔ)句判斷實(shí)現(xiàn)。對(duì)于復(fù)雜的串并轉(zhuǎn)換，還可以用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。串并轉(zhuǎn)換的方法比較簡(jiǎn)單，在此不必贅述。

流水線操作設(shè)計(jì)思想

首先需要聲明的是，這里所講述的流水線是指一種處理流程和順序操作的設(shè)計(jì)思想，并非FPGA、ASIC設(shè)計(jì)中優(yōu)化時(shí)序所用的“Pipelining”。

流水線處理是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用設(shè)計(jì)手段。如果某個(gè)設(shè)計(jì)的處理流程分為若干步驟，而且整個(gè)數(shù)據(jù)處理是“單流向”的，即沒(méi)有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，則可以考慮采用流水線設(shè)計(jì)方法來(lái)提高系統(tǒng)的工作頻率。

流水線設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)為：將適當(dāng)劃分的n個(gè)操作步驟單流向串聯(lián)起來(lái)。流水線操作的最大特點(diǎn)和要求是，數(shù)據(jù)流在各個(gè)步驟的處理從時(shí)間上看是連續(xù)的，如果將每個(gè)操作步驟簡(jiǎn)化假設(shè)為通過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器(就是用寄存器打一個(gè)節(jié)拍)，那么流水線操作就類(lèi)似一個(gè)移位寄存器組，數(shù)據(jù)流依次流經(jīng)D觸發(fā)器，完成每個(gè)步驟的操作。流水線設(shè)計(jì)時(shí)序如圖4所示。

流水線設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵在于整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序的合理安排，要求每個(gè)操作步驟的劃分合理。如果前級(jí)操作時(shí)間恰好等于后級(jí)的操作時(shí)間，設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，前級(jí)的輸出直接匯入后級(jí)的輸入即可；如果前級(jí)操作時(shí)間大于后級(jí)的操作時(shí)間，則需要對(duì)前級(jí)的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級(jí)輸入端；如果前級(jí)操作時(shí)間恰好小于后級(jí)的操作時(shí)間，則必須通過(guò)復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)、后處理方式，否則會(huì)造成后級(jí)數(shù)據(jù)溢出。

在WCDMA設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到流水線處理的方法，如RAKE接收機(jī)、搜索器、前導(dǎo)捕獲等。流水線處理方式之所以頻率較高，是因?yàn)閺?fù)制了處理模塊，它是面積換取速度思想的又一種具體體現(xiàn)。

數(shù)據(jù)接口的同步方法

數(shù)據(jù)接口的同步是FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，也是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，很多設(shè)計(jì)不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問(wèn)題。