FPGA應用和設計要點詳細解析

FPGA的應用

　　FPGA的用處比我們平時想象的用處更廣泛，原因在于其中集成的模塊種類更多，而不僅僅是原來的簡單邏輯單元（LE）。早期的FPGA相對比較簡單，所有的功能單元僅僅由管腳、內(nèi)部buffer、LE、RAM構建而成，LE由LUT（查找表）和D觸發(fā)器構成，RAM也往往容量非常小?，F(xiàn)在的FPGA不僅包含以前的LE，RAM也更大更快更靈活，管教IOB也更加的復雜，支持的IO類型也更多，而且內(nèi)部還集成了一些特殊功能單元，包括：

　　DSP：實際上就是乘加器，F(xiàn)PGA內(nèi)部可以集成多個乘加器，而一般的DSP芯片往往每個core只有一個。換言之，F(xiàn)PGA可以更容易實現(xiàn)多個DSP core功能。在某些需要大量乘加計算的場合，往往多個乘加器并行工作的速度可以遠遠超過一個高速乘加器。

　　SERDES：高速串行接口。將來PCI-E、XAUI、HT、S-ATA等高速串行接口會越來越多。有了SERDES模塊，F(xiàn)PGA可以很容易將這些高速串行接口集成進來，無需再購買專門的接口芯片。

　　CPU core：分為2種，軟core和硬core。軟core是用邏輯代碼寫的CPU模塊，可以在任何資源足夠的FPGA中實現(xiàn)，使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個軟core，實現(xiàn)多核并行處理。硬core是在特定的FPGA內(nèi)部做好的CPU core，優(yōu)點是速度快、性能好，缺點是不夠靈活。

　　不過，F(xiàn)PGA還是有缺點。對于某些高主頻的應用，F(xiàn)PGA就無能為力了?，F(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz，但在實際設計中，往往200MHz以上工作頻率就很難實現(xiàn)了。

FPGA設計要點解析

　　FPGA設計要點之一：時鐘樹

　　對于FPGA來說，要盡可能避免異步設計，盡可能采用同步設計。同步設計的第一個關鍵，也是關鍵中的關鍵，就是時鐘樹。一個糟糕的時鐘樹，對FPGA設計來說，是一場無法彌補的災難，是一個沒有打好地基的大樓，崩潰是必然的。

　　具體一些的設計細則：

　　1）盡可能采用單一時鐘；

　　2）如果有多個時鐘域，一定要仔細劃分，千萬小心；

　　3）跨時鐘域的信號一定要做同步處理。對于控制信號，可以采用雙采樣；對于數(shù)據(jù)信號，可以采用異步fifo。需要注意的是，異步fifo不是萬能的，一個異步fifo也只能解決一定范圍內(nèi)的頻差問題。

　　4）盡可能將FPGA內(nèi)部的PLL、DLL利用起來，這會給你的設計帶來大量的好處。

　　5）對于特殊的IO接口，需要仔細計算Tsu、Tco、Th，并利用PLL、DLL、DDIO、管腳可設置的delay等多種工具來實現(xiàn)。簡單對管腳進行Tsu、Tco、Th的約束往往是不行的。

　　可能說的不是很確切。這里的時鐘樹實際上泛指時鐘方案，主要是時鐘域和PLL等的規(guī)劃，一般情況下不牽扯到走線時延的詳細計算（一般都走全局時鐘網(wǎng)絡和局部時鐘網(wǎng)絡，時延固定），和ASIC中的時鐘樹不一樣。對于ASIC，就必須對時鐘網(wǎng)絡的設計、布線、時延計算進行仔細的分析計算才行。

　　FPGA設計要點之二：FSM

　　FSM：有限狀態(tài)機。這個可以說時邏輯設計的基礎。幾乎稍微大一點的邏輯設計，幾乎都能看得到FSM。FSM分為moore型和merly型，moore型的狀態(tài)遷移和變量無關，merly型則有關。實際使用中大部分都采用merly型。

　　FSM通常有2種寫法：單進程、雙進程。

　　初學者往往喜歡單進程寫法，格式如下：

　　always @（ posedge clk or posedge rst ）

　　begin

　　if （ rst == 1‘b1 ）

　　FSM_status 《= 。。。。。。;

　　else

　　case （ FSM_status ）

　　。。。。。。;

　　endcase

　　end

　　簡單的說，單進程FSM就是把所有的同步、異步處理都放入一個always中。

　　FPGA設計要點之三：latch

　　首先回答一下：

　　1）stateCAD沒有用過，不過我感覺用這個東東在構建大的系統(tǒng)的時候似乎不是很方便。也許用system C或者system Verilog更好一些。

　　2）同步、異步的叫法是我所在公司的習慣叫法，不太對，不過已經(jīng)習慣了，呵呵。

　　這次講一下latch。latch的危害已經(jīng)說過了，這里不再多說，關鍵講一下如何避免。

　　1）在組合邏輯進程中，if語句一定要有else！并且所有的信號都要在if的所有分支中被賦值。

　　always @（ * ） begin

　　if （ sig_a == 1‘b1 ） sig_b = sig_c;

　　end

　　這個是絕對會產(chǎn)生latch的。

　　正確的應該是

　　always @（ * ） begin

　　if （ sig_a == 1’b1 ） sig_b = sig_c;

　　else sig_b = sig_d;

　　end

　　另外需要注意，下面也會產(chǎn)生latch。也就是說在組合邏輯進程中不能出現(xiàn)自己賦值給自己或者間接出現(xiàn)自己賦值給自己的情況。

　　always @（ * ） begin

　　if （ rst == 1‘b1 ） counter = 32’h00000000;

　　else counter = counter + 1;

　　end

　　但如果是時序邏輯進程，則不存在該問題。

　　2）case語句的default一定不能少！

　　原因和if語句相同，這里不再多說了。

　　需要提醒的是，在時序邏輯進程中，default語句也一定要加上，這是一個很好的習慣。

　　3）組合邏輯進程敏感變量不能少也不能多。

　　這個問題倒不是太大，verilog2001語法中可以直接用 * 搞定了。順便提一句，latch有弊就一定有利。在FPGA的LE中，總存在一個latch和一個D觸發(fā)器，在支持DDR的IOE（IOB）中也存在著一個latch來實現(xiàn)DDIO。不過在我們平時的設計中，對latch還是要盡可能的敬而遠之。

　　FPGA設計要點之四：邏輯仿真

　　仿真是FPGA設計中必不可少的一步。沒有仿真，就沒有一切。仿真是一個單調(diào)而繁瑣的工作，很容易讓人產(chǎn)生放棄或者偷工減料的念頭。這時一定要挺?。》抡娣譃閱卧抡?、集成仿真、系統(tǒng)仿真。

　　單元仿真：針對每一個最小基本模塊的仿真。單元仿真要求代碼行覆蓋率、條件分支覆蓋率、表達式覆蓋率必須達到100％！這三種覆蓋率都可以通過MODELSIM來查看，不過需要在編譯該模塊時要在Compile opTIon中設置好。

　　集成仿真：將多個大模塊合在一起進行仿真。覆蓋率要求盡量高。

　　系統(tǒng)仿真：將整個硬件系統(tǒng)合在一起進行仿真。此時整個仿真平臺包含了邏輯周邊芯片接口的仿真模型，以及BFM、Testbench等。系統(tǒng)仿真需要根據(jù)被仿真邏輯的功能、性能需求仔細設計仿真測試例和仿真測試平臺。系統(tǒng)仿真是邏輯設計的一個大分支，是一門需要專門學習的學科。