VHDL設(shè)計(jì)電路優(yōu)化問題

近年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展，集設(shè)計(jì)、模擬、綜合和測(cè)試功能為一體的VHDL語(yǔ)言，已作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語(yǔ)言。由于其在語(yǔ)法和風(fēng)格上類似于現(xiàn)代高級(jí)匯編語(yǔ)言，具有良好的可讀性，描述能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)方法靈活，易于修改，又具有可移植性，可重復(fù)利用他人的IP模塊 （具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能模塊）等諸多優(yōu)勢(shì)而成為EDA設(shè)計(jì)方法的首選。VHDL設(shè)計(jì)是行為級(jí)設(shè)計(jì)，所帶來(lái)的問題是設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思考與電路結(jié)構(gòu)相脫節(jié)。設(shè)計(jì)者主要是根據(jù)VHDL的語(yǔ)法規(guī)則，對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的邏輯行為進(jìn)行描述，然后通過(guò)綜合工具進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯和優(yōu)化，并通過(guò)仿真工具進(jìn)行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時(shí)延的仿真。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于每個(gè)工程師對(duì)語(yǔ)言規(guī)則和電路行為的理解程度不同，每個(gè)人的編程風(fēng)格各異，往往同樣的系統(tǒng)功能，描述的方式不一，綜合出來(lái)的電路結(jié)構(gòu)更是大相徑庭。即使最終綜合出的電路都能實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，但其電路的復(fù)雜程度和時(shí)延特性差別很大，甚至某些臃腫的電路還會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的問題。因此，對(duì)VHDL設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)的問題進(jìn)行深入探討，很有必要。

　　VHDL電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化與VHDL描述語(yǔ)句、EDA工具以及可編程器件（PLD）的選用都有著直接的關(guān)系。設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)注意到以下基本問題：

　?、?PLD器件的邏輯資源是有限的。

　?、?可編程器件具有特定的結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意器件結(jié)構(gòu)與實(shí)際系統(tǒng)的匹配，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。

　?、?不是所有的設(shè)計(jì)都能實(shí)現(xiàn)到任意選擇的結(jié)構(gòu)中去。

　　④ 電路優(yōu)化的目標(biāo)相當(dāng)于求最優(yōu)解的問題。

　　1 VHDL設(shè)計(jì)中提高硬件綜合效率的主要策略

　　VHDL作為一種硬件描述和仿真語(yǔ)言，最終要實(shí)現(xiàn)的是實(shí)際硬件電路。但是其設(shè)計(jì)初衷并非綜合，某些語(yǔ)句并不被綜合器支持，所以在選擇語(yǔ)句時(shí)應(yīng)考慮到綜合與仿真的效率。只有使用綜合工具支持的語(yǔ)句，設(shè)計(jì)出的程序才有意義。在編程時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

　?、?盡量不使用WAIT FOR XX ns語(yǔ)句和AFTER XX ns語(yǔ)句。XX ns表明在執(zhí)行下一操作之前需要等待的時(shí)間，但綜合器不予支持，一般忽略該時(shí)間，而不會(huì)綜合成某種元件，故對(duì)于包含此類語(yǔ)句的程序，仿真結(jié)果與綜合結(jié)果往往不一致。

　?、?聲明信號(hào)和變量時(shí)盡量不賦初值，定義某確定數(shù)值時(shí)，使用常量而不用變量賦初值的形式。因?yàn)榇蠖鄶?shù)綜合工具將忽略賦值等初始化語(yǔ)句，諸如：VARIABAL S∶INTEGER∶=0。

　?、?函數(shù)或過(guò)程調(diào)用時(shí)盡量使用名稱關(guān)聯(lián)。因?yàn)槊Q關(guān)聯(lián)可以比位置關(guān)聯(lián)更好地防止產(chǎn)生不正確的端口連接和元件聲明，也不要在同一個(gè)語(yǔ)句中同時(shí)使用兩種關(guān)聯(lián)。諸如：

　　clk_1:bufes port map（I=>clock_in，clock_out）；（不正確的用法）

　　clk_1:bufes port map（I=>clock_in，O=>clock_out）；（正確的用法）

　?、?正確使用when_else語(yǔ)句、if_else語(yǔ)句和case語(yǔ)句。VHDL設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜程度除取決于設(shè)計(jì)功能的難度外，還受設(shè)計(jì)工程師對(duì)電路描述方法的影響。最常見的使電路復(fù)雜化的原因之一是，設(shè)計(jì)中存在許多本不必要的類似LATCH的結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)通常都由大量的觸發(fā)器組成，不僅使電路更復(fù)雜，工作速度降低，而且由于時(shí)序配合的原因還會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)料的結(jié)果。例如，描述譯碼電路時(shí)，由于每個(gè)工程師的寫作習(xí)慣不同，有的喜歡用IF.。.ELSE 語(yǔ)句，有的喜歡用WHEN.。.ELSE方式，而用IF.。.ELSE時(shí)，稍不注意，在描述不需要寄存器的電路時(shí)沒加ELSE，則會(huì)引起電路不必要的開銷。

　　例程1： if ina＝″00000″ then

　　Outy＜＝″0000111″;

　　elsif ina＝″00001″ then

　　Outy＜＝″0001000″;

　　elsif ina＝″00010″ then

　　Outy＜＝″0001001″;

　　……

　　else

　　Outy＜＝″0000000″;

　　end if；

　　例程2： Outy＜＝″0000111″ when ina＝″00000″ else

　　″0001000″ when ina＝″00001″ else

　　″0001001″ when ina＝″00010″ else

　　……

　　″0000000″;

　　例程2由于使用WHEN.。.ELSE完整條件語(yǔ)句，不會(huì)生成鎖存器結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)有問題。而例程1若不加else Outy＜＝″0000000″語(yǔ)句，則屬于不完整條件表達(dá)方式，會(huì)生成一個(gè)含有７位寄存器的結(jié)構(gòu)。雖然上述例程都能實(shí)現(xiàn)相同的譯碼功能，但是電路復(fù)雜度會(huì)大不相同。

　?、?注意算術(shù)功能的設(shè)計(jì)優(yōu)化。例如下面兩條語(yǔ)句：

　　Out=A+B+C+D;

　　Out=（A+B）+（C+D）;

　　第一條語(yǔ)句綜合后將會(huì)連續(xù)疊放3個(gè)加法器（（（A+B）+C）+D）；第二條語(yǔ)句（A+B）和（C+D）使用兩個(gè)并行的加法器，同時(shí)進(jìn)行加法運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)第三個(gè)加法器進(jìn)行組合。雖然使用資源數(shù)量相同，但第二條語(yǔ)句速度更快。以4位和16位加法器為例，選用Altera公司 EPF10K30AQC240_3芯片，通過(guò)synopsys FPGA Express綜合工具實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，比較結(jié)果如表1所列。

2 優(yōu)化系統(tǒng)速度的VHDL設(shè)計(jì)策略

　　選用基于VHDL設(shè)計(jì)的CPLD/FPGA器件往往首先是為了滿足高速運(yùn)行的需要，如通信系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行速度與電路節(jié)點(diǎn)之間的延時(shí)直接相關(guān)，因此，減少冗余邏輯，縮短節(jié)點(diǎn)延時(shí)是提高系統(tǒng)速度的關(guān)鍵。速度優(yōu)化與電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如器件結(jié)構(gòu)特性、系統(tǒng)電路構(gòu)成和PCB制板情況）和軟件使用（如綜合器性能和 VHDL描述方式）都有關(guān)系。

　　2.1 電路結(jié)構(gòu)方面速度優(yōu)化的主要方法

　?、?流水線設(shè)計(jì)是最常用的速度優(yōu)化技術(shù)。采用流水線設(shè)計(jì)雖然不能縮短總工作周期，但通過(guò)把一個(gè)工作周期內(nèi)的邏輯操作分成幾步較小操作，并連續(xù)同步實(shí)現(xiàn)的策略，可大大提高系統(tǒng)總體運(yùn)行速度。

　?、?合理使用嵌入式陣列塊EAB資源和LPM宏單元庫(kù)。在DSP、圖像處理等領(lǐng)域，乘法器是應(yīng)用最廣泛、最基本的模塊，其速度往往制約著整個(gè)系統(tǒng)性能。而EAB是PLD器件中非常有效的高速資源，利用EAB單元和參數(shù)化模塊LPM，可以設(shè)計(jì)出乘法器等高速電路。

　　③ 關(guān)鍵路徑優(yōu)化。所謂關(guān)鍵路徑是指從輸入到輸出延時(shí)最長(zhǎng)的邏輯通道。關(guān)鍵路徑優(yōu)化是保證系統(tǒng)速度優(yōu)化的有效方法。

　　2.2 軟件使用方面速度優(yōu)化的方法

　　一般EDA軟件尤其是綜合器，均會(huì)提供一些針對(duì)具體器件和設(shè)計(jì)的優(yōu)化選項(xiàng)。設(shè)計(jì)者在使用軟件時(shí)應(yīng)注意根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的要求，適當(dāng)修改軟件設(shè)置。在MAX+plusII中，就可以使用Assign/Device命令選擇不同速度等級(jí)的芯片。

　　3 面積優(yōu)化的VHDL設(shè)計(jì)策略

　　面積優(yōu)化是提高芯片資源利用率的另一種方法，通過(guò)面積優(yōu)化可以使用規(guī)模更小的芯片，從而降低成本和功耗，為以后技術(shù)升級(jí)預(yù)留更多資源。面積優(yōu)化最常用的方法是資源共享和邏輯優(yōu)化。

　　3.1 資源共享方法

　　資源共享的主要思想是通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖或多路選擇的方法來(lái)共享數(shù)據(jù)通道中占用資源較多的模塊（如乘法器、多位加法器等算術(shù)模塊）。

　　例程3： process（A0，A1，B，sel）

　　begin

　　if（sel=‘0’）then result=A0*B;

　　else result=A1*B;

　　end if;

　　end processs;

　　例程4： process（A0，A1，B，sel）

　　begin

　　if（sel=‘0’）then temp=A0;

　　else temp=A1;

　　end if;

　　result=temp*B;

　　end processs;

　　例程3的設(shè)計(jì)可用圖1描述，例程4的設(shè)計(jì)可用圖2描述。可見例程4節(jié)省了一個(gè)代價(jià)高昂的乘法器，整個(gè)設(shè)計(jì)占用面積比例程3幾乎減少了一半。


3.2 邏輯優(yōu)化方法

　　通過(guò)邏輯優(yōu)化以減少資源利用也是常用的面積優(yōu)化方法（如常數(shù)乘法器的應(yīng)用，并行邏輯串行化處理等），但其代價(jià)往往是速度的犧牲。在延時(shí)要求不高的情況下，采用這種方法可以達(dá)到減少電路復(fù)雜度、實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化的目的。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上初步的探討可知，用VHDL進(jìn)行集成電路的設(shè)計(jì)，不僅需要熟悉VHDL語(yǔ)言的使用方法和對(duì)設(shè)計(jì)要求的深刻理解，而且應(yīng)在設(shè)計(jì)全程中遵循最優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件使用中尋找滿足設(shè)計(jì)要求的最佳方案。