零基礎(chǔ)學(xué)FPGA （十八） 談可編程邏輯設(shè)計思想與技巧！對您肯定有用！

　　今天給大家?guī)淼氖俏覀冊?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA設(shè)計中經(jīng)常要遇到的設(shè)計技巧與思想，即乒乓操作，串并轉(zhuǎn)換，流水線操作和跨時鐘域信號的同步問題。

　　之前也看過一些書，也在網(wǎng)上找過一些資料，不過小墨發(fā)現(xiàn)大部分都是理論講解，僅僅是給一個框圖就沒事了，或者是好幾個網(wǎng)站的資料都是一樣的，都是復(fù)制的一個地方的，僅僅是講解，沒有實例，要不就是某個網(wǎng)站提供源碼，但是要注冊，還要花什么積分，沒有積分還得要錢...很不利于初學(xué)者的學(xué)習(xí)(人與人之間怎么就不能多點信任呢~還要錢...)。所以小墨想寫這么一篇文章來介紹一下這4種思想，理論部分書上多得是，我就不過多的解釋，主要給大家講一些實例型的幫大家理解。

　　一、乒乓操作

　　乒乓操作主要用于數(shù)據(jù)流的處理，是用面積換取速度的體現(xiàn)之一，要知道面積與速度的互換貫穿FPGA設(shè)計的始終，下面先給一個框圖

　　我先來解釋一下乒乓操作的過程：

　　首先數(shù)據(jù)需要通過一個2選一數(shù)據(jù)選擇器，在第一個時鐘周期將數(shù)據(jù)緩存到緩存模塊1，常用的緩存模塊可以是fifo,雙口RAM(DPRAM)，單口RAM(SPRAM)，第二個時鐘周期的時候，數(shù)據(jù)流開始往緩存模塊2里面寫數(shù)據(jù)，與此同時，預(yù)處理模塊會從緩存模塊1里面讀取數(shù)據(jù)，到了第三個時鐘周期數(shù)據(jù)流再往緩存模塊1里面寫數(shù)據(jù)，與此同時，預(yù)處理模塊2開始從緩存模塊2讀取數(shù)據(jù)，周而復(fù)始...這樣，輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流按節(jié)拍來回切換，可以使數(shù)據(jù)沒有停頓的進(jìn)行傳輸，使傳輸速率大大提高。

　　小墨同學(xué)發(fā)現(xiàn)，在給這個框圖配實例的時候，幾乎所有的網(wǎng)站都是這個解釋，我用紅字標(biāo)出，個人感覺解釋的不怎么樣，還有些地方是錯的

　　假設(shè)端口 A 的輸入數(shù)據(jù)流的速率為 100Mbps ，乒乓操作的緩沖周期是 10ms 。以下分析各個節(jié)點端口的數(shù)據(jù)速率。

　　A 端口處輸入數(shù)據(jù)流速率為 100Mbps ，在第 1 個緩沖周期 10ms 內(nèi)，通過 “ 輸入數(shù)據(jù)選擇單元 ” ，從 B1 到達(dá) DPRAM1 。 B1 的數(shù)據(jù)速率也是 100Mbps ， DPRAM1 要在 10ms 內(nèi)寫入 1Mb 數(shù)據(jù)。同理，在第 2 個 10ms ，數(shù)據(jù)流被切換到 DPRAM2 ，端口 B2 的數(shù)據(jù)速率也是 100Mbps ， DPRAM2 在第 2 個 10ms 被寫入 1Mb 數(shù)據(jù)。在第 3 個 10ms ，數(shù)據(jù)流又切換到 DPRAM1 ， DPRAM1 被寫入 1Mb 數(shù)據(jù)。

　　仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)到第 3 個緩沖周期時，留給 DPRAM1 讀取數(shù)據(jù)并送到 “ 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 1” 的時間一共是 20ms 。有的工程師困惑于 DPRAM1 的讀數(shù)時間為什么是 20ms ，這個時間是這樣得來的：首先，在在第 2 個緩沖周期向 DPRAM2 寫數(shù)據(jù)的 10ms 內(nèi)， DPRAM1 可以進(jìn)行讀操作;另外，在第 1 個緩沖周期的第 5ms 起 ( 絕對時間為 5ms 時刻 ) ， DPRAM1 就可以一邊向 500K 以后的地址寫數(shù)據(jù)，一邊從地址 0 讀數(shù)，到達(dá) 10ms 時， DPRAM1 剛好寫完了 1Mb 數(shù)據(jù)，并且讀了 500K 數(shù)據(jù)，這個緩沖時間內(nèi) DPRAM1 讀了 5ms ;在第 3 個緩沖周期的第 5ms 起 ( 絕對時間為 35ms 時刻 ) ，同理可以一邊向 500K 以后的地址寫數(shù)據(jù)一邊從地址 0 讀數(shù)，又讀取了 5 個 ms ，所以截止 DPRAM1 第一個周期存入的數(shù)據(jù)被完全覆蓋以前， DPRAM1 最多可以讀取 20ms 時間，而所需讀取的數(shù)據(jù)為 1Mb ，所以端口 C1 的數(shù)據(jù)速率為： 1Mb/20ms=50Mbps 。因此， “ 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 1” 的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為 50Mbps 。同理， “ 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 2” 的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為 50Mbps 。換言之，通過乒乓操作， “ 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 ” 的時序壓力減輕了，所要求的數(shù)據(jù)處理速率僅僅為輸入數(shù)據(jù)速率的 1/2 。

　　雖然各個網(wǎng)站上都是這么解釋的，但是個人感覺解釋的不怎么樣，下面我用我自己的理解給大家解釋一下這個例子

　　先看我給大家畫的一個圖，雖然畫的不怎么樣

　　這里我們只計算緩存模塊1的速率

　　首先看第一個周期10ms，數(shù)據(jù)流往緩存模塊1里面寫數(shù)據(jù)，到第5ms時，預(yù)處理模塊1開始從緩存模塊1里面讀數(shù)據(jù)，到10ms時，緩存模塊1寫了1M數(shù)據(jù)，讀了5K數(shù)據(jù)，下面切換到第二個周期，由于在第二個周期的時候預(yù)處理模塊1還可以從緩存模塊1里面讀數(shù)據(jù)，所以到第15ms時，緩存模塊1里面的數(shù)據(jù)被讀完

　　到了第三個時鐘周期，也就是從第20ms開始數(shù)據(jù)流往緩存模塊1寫數(shù)據(jù)，到第25ms時，預(yù)處理模塊開始從緩存模塊讀數(shù)據(jù)，直到35ms時才讀完，這樣我們來算一下，在第一個時鐘周期讀了5K數(shù)據(jù)，注意我上面畫的時鐘周期數(shù)，就是那個半圓形的，

　　在第三個時鐘周期讀了5k數(shù)據(jù)，注意每個時鐘周期只有5K，另外5K到了下一個時鐘周期了，所以我們不考慮，我們只考慮緩存模塊1的速率。再看一下時間，從第10ms讀完第一個5K，到第30ms讀完第2個5k，共用了20ms，讀了1M數(shù)據(jù)，所以速率為1M/20ms=50M/s。

　　下面再給大家講一個實例，具體代碼我會附在文章后面

　　用state來控制乒乓操作的來回切換

　　根據(jù)剛才講的，控制緩存器的讀寫，這里只列些部分代碼，具體代碼請大家在文章后面下載

　　下面附上仿真時序圖，我在testbench中將數(shù)據(jù)設(shè)為從0 遞增的，可以看到仿真波形中是將奇偶數(shù)分開的，證明我們代碼是正確的

　　二、串并轉(zhuǎn)換

　　串并轉(zhuǎn)換總的來說就是將串行輸入信號轉(zhuǎn)換為并行輸出，也是用面積換取速度的一種方法，串并轉(zhuǎn)換總的來說比較簡單，小墨就只給大家講一下我自己寫的代碼吧

　　首先要先對串入信號進(jìn)行采集，加入我們是8位一輸出，每進(jìn)來一位數(shù)據(jù)，我們便將原數(shù)據(jù)左移一位，保證數(shù)據(jù)是高位在前

　　然后再將數(shù)據(jù)并行輸出即可，下面附上仿真波形，我在testbench中給串入信號設(shè)為隨機(jī)數(shù)，看仿真圖的，第一串信號為1101_1011，一位一位的移進(jìn)寄存器可以由波形的，分別是1,3,6……所以我們的代碼是正確的

　　三、流水線操作

　　流水線操作是高速設(shè)計中的一種常用手段，如果摸個設(shè)計的處理流程分為若干個步驟，而且數(shù)據(jù)處理是單向流的，也就是沒有反饋或者迭代運算，前一個步驟是后一個步驟的輸出，我們就可以采用流水線設(shè)計的方法來提高設(shè)計速率。

　　舉個例子，假如我們要計算A+B+C的值，如果不用流水線操作的話，那么需要先計算A+B的值，再計算A+B+C的值，需要兩個時鐘周期，如果我用了流水線操作那么我需要在兩個always塊中分別計算sum1= A+B，sum2= sum1+C，由于兩個always塊是并行的，輸出數(shù)據(jù)只需要等待一個時鐘周期，以后就可以有數(shù)據(jù)源源不斷的輸出，就像流水線一樣，從而提高系統(tǒng)速率

　　下面我們來設(shè)計一個實例，假如我要采集一系列的32位數(shù)據(jù)，要對它進(jìn)行處理，處理方式假如是，先對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行加16運算，再進(jìn)行壓縮為16位數(shù)據(jù)運算，再進(jìn)行減10運算

　　，最后進(jìn)行取低8位運算，采用流水線設(shè)計的話，輸出結(jié)果只需要等待幾個時鐘周期，以后就會有源源不斷地數(shù)據(jù)輸出，流程框圖如下，代碼請在后面下載

　　我在testbench中定義輸入信號是隨機(jī)的32位信號，分別進(jìn)行分級處理，每處理完一級要給下一級發(fā)使能信號，并把數(shù)據(jù)送到下一級，例如當(dāng)?shù)谝患壥鼓苄盘柕絹頃r，數(shù)據(jù)為29,29加16為45，即第一級輸出信號，對45取前16位仍為45,45減10為35,35取低8位仍為35，對照波形，證明我們的設(shè)計是對的

　　四、跨時鐘域信號同步

　　先來看一張圖

　　這個圖的意思就是，脈沖信號為一個時鐘信號，FPGA要對其進(jìn)行計數(shù)，在CPU給FPGA發(fā)送讀信號的時候，將計數(shù)器的值送至CPU的數(shù)據(jù)總線， 這里就涉及三個時鐘信號，一個脈沖信號，一個CPU的讀信號，一個FPGA的自身時鐘，這三個時鐘是不同步的，我們這樣想，假如在脈沖計數(shù)的時鐘，cnt是自加1的，由于三個時鐘不同步，CPU的讀信號隨時都有可能來，加入當(dāng)cnt自加的時候，也就是cnt = cnt +1,這是對cnt的寫狀態(tài)，突然來一個CPU的讀信號，即那么就要把cnt送到數(shù)據(jù)總線，即data < = cnt,這是一個讀狀態(tài)，試問，一個數(shù)據(jù)既要讀又要寫，那讀的是寫之前的數(shù)據(jù)呢還是寫之后的數(shù)據(jù)呢?這就是亞穩(wěn)態(tài)，確切就是不確定的意思，所以，我們要將不同的時鐘盡心同步處理，即在一個時鐘的控制下進(jìn)行脈沖計數(shù)和讀操作，這樣就不會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)了，要知道，在一個大的系統(tǒng)中，亞穩(wěn)態(tài)的危害是很大的

　　要解決同步問題，我們可以用FIFO，DPRAM 進(jìn)行同步，即用其他時鐘域?qū)ifo進(jìn)行寫操作，再用FPGA對fifo進(jìn)行讀操作，但要注意是否有數(shù)據(jù)溢出，還有一種方法就是邊沿脈沖檢測法，這里我們講第二種

　　即采用兩級寄存器，這兩級寄存器均有FPGA的時鐘控制，具體操作就是將不同域的信號都先賦值給第一級寄存器，再在另一個always塊中把第一級寄存器的值賦給第二級寄存器，如果是信號是高脈沖，那么就把第二級寄存器取反與第一級寄存器相與，便會得到一個高的脈沖采樣信號，用這個信號在檢測其他域信號的到來，如果是信號是低脈沖，那么就把第一級寄存器取反與第二級寄存器相與，同樣得到一個高的脈沖采樣信號，用這個信號在檢測其他域信號的到來，小墨同學(xué)把它記為“上2下1”原則，方便記憶~

　　具體代碼在前面鍵盤部分已經(jīng)有所講解，這里就不副代碼了

　　寫了好幾個小時，手都敲酸了，還望各位大神多多指教，有什么講的不對的地方還請指出，一起進(jìn)步~