EDA技術(shù)與FPGA設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.基于VHDL的FPGA系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)

具體包括以下重要環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)輸入(Design Entry)、設(shè)計(jì)綜合(Design Synthesis)、設(shè)計(jì)約束(Design Constraints)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)(Design Implement)、設(shè)計(jì)仿真(Design Simulation)和器件編程(Device Programming)。

設(shè)計(jì)輸入主要采用HDL(硬件描述語(yǔ)言)、ECS(Engineering Schematic Capture，原理圖編輯器)和FSM(Finite State Machine，有限狀態(tài)機(jī));

設(shè)計(jì)綜合就是依據(jù)邏輯設(shè)計(jì)描述和約束條件，利用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行優(yōu)化處理，將HDL文件轉(zhuǎn)變?yōu)橛布娐穼?shí)現(xiàn)方案，其實(shí)質(zhì)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的過(guò)程;

設(shè)計(jì)約束主要包括設(shè)計(jì)規(guī)則約束、時(shí)間約束、面積約束三種，通常時(shí)間約束的優(yōu)先級(jí)高于面積約束;

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于FPGA分為編譯規(guī)劃、布局布線(PAR，Place And Route)、程序比特流文件產(chǎn)生;對(duì)于CPLD則是編譯、配置、比特流文件產(chǎn)生;

設(shè)計(jì)仿真分為功能仿真和時(shí)序時(shí)延仿真。功能仿真在設(shè)計(jì)輸入之后、綜合之前進(jìn)行，只進(jìn)行功能驗(yàn)證，又稱為前仿真。時(shí)序時(shí)延仿真在綜合和布局布線之后進(jìn)行，能夠得到目標(biāo)器件的詳細(xì)時(shí)序時(shí)延信息，又稱為后仿真;

器件編程是指在功能仿真與時(shí)序時(shí)延仿真正確的前提下，將綜合后形成的位流編程下載到具體的FPGA/CPLD芯片中，又稱芯片配置。FPGA/CPLD編程下載通?？墒褂肑TAG編程器、PROM文件格式器和硬件調(diào)試器三種方式，其中JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1149.1邊界掃描測(cè)試的訪問(wèn)接口，用作編程功能可省去專用的編程接口，減少系統(tǒng)引出線，有利于各可編程邏輯器件編程接口的統(tǒng)一，因此應(yīng)用廣泛。

4.FPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化及方案改進(jìn)

在FPGA設(shè)計(jì)中，必須首先明確HDL源代碼編寫(xiě)非常重要;不同綜合工具包含的綜合子集不同致使有些HDL語(yǔ)句在某些綜合工具中不能綜合;同一邏輯功能可用不同HDL語(yǔ)句進(jìn)行描述，但占用資源卻可能差別很大。同時(shí)應(yīng)當(dāng)深刻理解并發(fā)性是硬件描述語(yǔ)言與普通高級(jí)語(yǔ)言的根本區(qū)別，因而設(shè)計(jì)硬件電路不能受傳統(tǒng)順序執(zhí)行思維的束縛。

此外，我們應(yīng)當(dāng)清楚速度優(yōu)化與面積優(yōu)化在FPGA設(shè)計(jì)中占有重要地位。對(duì)于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，速度常常是第一要求，但FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合工具性能、系統(tǒng)電路構(gòu)成、PCB制版情況及HDL代碼表述都會(huì)對(duì)工作速度產(chǎn)生重要影響。我們通過(guò)在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用流水線設(shè)計(jì)、寄存器配平、關(guān)鍵路徑法可以進(jìn)行速度優(yōu)化。

(1)流水線設(shè)計(jì)

流水線(Pipelining)技術(shù)在速度優(yōu)化中相當(dāng)流行，它能顯著提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度上限，在現(xiàn)代微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、MCU單片機(jī)、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都離不開(kāi)流水線技術(shù)。圖4與圖5是流水線設(shè)計(jì)的典型圖示，其中圖4未使用流水線設(shè)計(jì)，圖5采用了2級(jí)流水線設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中將延時(shí)較大的組合邏輯塊切割成兩塊延時(shí)大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個(gè)邏輯塊中插入了觸發(fā)器，即滿足以下關(guān)系式：Ta=T1+T2，T1≈T2。通過(guò)分析可知，圖4中Fmax≈1/Ta;圖5中流水線第1級(jí)最高工作頻率Fmax1≈1/T1，流水線第2級(jí)最高工作頻率Fmax2≈1/T2≈1/T1，總設(shè)計(jì)最高頻率為Fmax≈Fmax1≈Fmax2≈1/T1，因此圖5設(shè)計(jì)速度較圖4提升了近一倍。

(2)寄存器配平(Register Balancing)

寄存器配平是通過(guò)配平寄存器之間的組合延時(shí)邏輯塊來(lái)實(shí)現(xiàn)速度優(yōu)化，兩個(gè)組合邏輯塊延時(shí)差別過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)總體工作頻率Fmax取決于T1，即最大的延時(shí)模塊，從而使設(shè)計(jì)整體性能受限。通過(guò)對(duì)圖7設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將延時(shí)較大的組合邏輯1的部分邏輯轉(zhuǎn)移到組合邏輯2中，成為圖8結(jié)構(gòu)，以減小延時(shí)T1，使t1≈t2，且滿足T1+T2=t1+t2。寄存器配平后的圖8結(jié)構(gòu)中Fmax≈1/t1>1/T1，從而提高了設(shè)計(jì)速度。

(3)關(guān)鍵路徑法

關(guān)鍵路徑是指設(shè)計(jì)中從輸入到輸出經(jīng)過(guò)的延時(shí)最長(zhǎng)的邏輯路徑，優(yōu)化關(guān)鍵路徑是提高設(shè)計(jì)工作速度的有效方法。圖9中Td1>Td2，Td1>Td3，關(guān)鍵路徑為延時(shí)Td1的模塊，由于從輸入到輸出的延時(shí)取決于延時(shí)最長(zhǎng)路徑，而與其他延時(shí)較小的路徑無(wú)關(guān)，因此減少Td1則能改善輸入到輸出的總延時(shí)。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵路徑法可反復(fù)使用，直到不可能減少關(guān)鍵路徑延時(shí)為止。許多EDA開(kāi)發(fā)工具都提供時(shí)序分析器可以幫助找到延時(shí)最長(zhǎng)的關(guān)鍵路徑，以便設(shè)計(jì)者改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵路徑法是進(jìn)行速度優(yōu)化的首選方法，可與其他方法配合使用。

在FPGA設(shè)計(jì)中，面積優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是資源利用優(yōu)化，面積優(yōu)化有多種實(shí)現(xiàn)方法，諸如資源共享、邏輯優(yōu)化、串行化，其中資源共享使用較多，下面舉例說(shuō)明。

在利用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常遇到同一模塊需要反復(fù)被調(diào)用，例如多位乘法器、快速進(jìn)位加法器等算術(shù)模塊，它們占用芯片資源很多，使系統(tǒng)成本及器件功耗大幅上升，因而使用資源共享技術(shù)能夠顯著優(yōu)化資源。圖10和圖11是資源共享的一個(gè)典型實(shí)例，由圖可見(jiàn)使用資源共享技術(shù)節(jié)省了一個(gè)多位乘法器，從而達(dá)到減少資源消耗、優(yōu)化面積的目的。