基于CPLD/FPGA的VHDL電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2012-01-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1.2防止不必要鎖存器的產(chǎn)生

在VHDL設(shè)計(jì)中，使用語句不當(dāng)也是導(dǎo)致電路復(fù)雜化的原因之一，這使得綜合后的電路當(dāng)中存在很多不必要的鎖存器，降低電路的工作速度。因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該避免由于VHDL使用習(xí)慣的問題，無意識地在電路中添加不必要的鎖存器。由于IF或者CASE語句較容易引入鎖存器，所以當(dāng)語句的判斷條件不能覆蓋所有可能的輸入值的時(shí)候，邏輯反饋就容易形成一個(gè)鎖存器。當(dāng)然，隨著高級編譯軟件的出現(xiàn)，如QuartusⅡ7.2，這樣的問題通過編譯軟件已經(jīng)得到很好的解決。對一個(gè)設(shè)計(jì)人員而言，有意識地防止不必要鎖存器的產(chǎn)生可以加快編譯速度。

在超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡VHDL程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，涉及10 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘clk的同步D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，即每當(dāng)clk時(shí)鐘信號的上升沿到來時(shí)，將輸入信號in的值賦給輸出信號out，代碼如下所示。

通過對比，程序四比程序三只多了一條空語句，但這樣做可有效防止綜合器生成不必要鎖存器，并提高電路的工作速度。

1.3 使用狀態(tài)機(jī)簡化電路描述

由于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)模式簡單，有相對固定的設(shè)計(jì)模板，特別是VHDL支持定義符號化枚舉類型狀態(tài)，這就為VHDL綜合器充分發(fā)揮其強(qiáng)大的優(yōu)化功能提供了有利條件。因此采用狀態(tài)機(jī)比較容易地設(shè)計(jì)出高性能的時(shí)序邏輯模塊，在超聲探傷數(shù)據(jù)采集卡的CPLD程序設(shè)計(jì)中，使用有限元狀態(tài)機(jī)(FSM)設(shè)計(jì)CY7CA225 1K×16 b FIFO芯片的讀寫控制模塊，并且達(dá)到很好的效果，邏輯轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。實(shí)踐證明，實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，使用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)能使設(shè)計(jì)的電路得到更好的優(yōu)化。

1.4 資源共享

資源共享的思想是通過使用數(shù)據(jù)緩沖器或多路選擇器等方法來共享數(shù)據(jù)通道中占用資源較多的模塊，如算法單元。通過共享電路單元模塊可有效提高芯片內(nèi)部資源的利用率，達(dá)到優(yōu)化電路的目的。

1.5利用E2PROM芯片節(jié)省片內(nèi)資源

在用VHDL進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)的過程中，經(jīng)常需要存儲(chǔ)一些配置參數(shù)值。理論上講，每存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的配置參數(shù)需要使用8個(gè)CPLD宏單元，因此在CPLD內(nèi)部存儲(chǔ)這些參數(shù)并不是好的方案，除非使用的CPLD芯片已集成了E2PROM存儲(chǔ)單元。例如，在設(shè)計(jì)超聲探傷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡的過程中，每個(gè)通道的采樣數(shù)都需要保存在CPLD里面。由于項(xiàng)目初期芯片選型不當(dāng)，選擇一款EPM7192S160-15，該款芯片內(nèi)部只有192個(gè)宏單元，因此考慮把參數(shù)存儲(chǔ)在外擴(kuò)的E2PROM芯片24WC02中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)I2C控制器僅需要43個(gè)宏單元。由此可見，當(dāng)初始化參數(shù)大于5個(gè)的時(shí)候，通過外擴(kuò)E2PROM芯片來存儲(chǔ)配置參數(shù)是可行的，只需在CPLD／FPGA芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)I2C控制器即可方便地讀寫E2PROM存儲(chǔ)芯片。

2 結(jié)語

使用VHDL進(jìn)行CPLD／FPGA電路設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的具體情況，合理地劃分項(xiàng)目功能，并用VHDL實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能模塊。用模塊來構(gòu)建系統(tǒng)，可有效地優(yōu)化模塊間的結(jié)構(gòu)和減少系統(tǒng)的冗余度，并在模塊設(shè)計(jì)過程中始終貫徹以上的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，借助于強(qiáng)大的綜合開發(fā)軟件進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到最優(yōu)化電路的目的。