VHDL設(shè)計(jì)中電路優(yōu)化問題

近年來，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、綜合和測試功能為一體的VHDL語言，已作為IEEE標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言。由于其在語法和風(fēng)格上類似于現(xiàn)代高級匯編語言，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 (具有知識產(chǎn)權(quán)的功能模塊)等諸多優(yōu)勢而成為EDA設(shè)計(jì)方法的首選。VHDL設(shè)計(jì)是行為級設(shè)計(jì)，所帶來的問題是設(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的語法規(guī)則，對系統(tǒng)目標(biāo)的邏輯行為進(jìn)行描述，然后通過綜合工具進(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)過程中，由于每個工程師對語言規(guī)則和電路行為的理解程度不同，每個人的編程風(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產(chǎn)生難以預(yù)料的問題。因此，對VHDL設(shè)計(jì)中簡化電路結(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：

① PLD器件的邏輯資源是有限的。
② 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。　　
③ 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，某些語句并不被綜合器支持，所以在選擇語句時(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)：

① 盡量不使用WAIT FOR XX ns語句和AFTER XX ns語句。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，而不會綜合成某種元件，故對于包含此類語句的程序，仿真結(jié)果與綜合結(jié)果往往不一致。

② 聲明信號和變量時(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句，諸如：VARIABAL S∶INTEGER∶=0。

③ 函數(shù)或過程調(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,也不要在同一個語句中同時(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)

④ 正確使用when_else語句、if_else語句和case語句。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)，由于每個工程師的寫作習(xí)慣不同，有的喜歡用IF...ELSE 語句，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完整條件語句，不會生成鎖存器結(jié)構(gòu)，所以不會有問題。而例程1若不加else Outy＜＝″0000000″語句，則屬于不完整條件表達(dá)方式，會生成一個含有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)雜度會大不相同。

⑤ 注意算術(shù)功能的設(shè)計(jì)優(yōu)化。例如下面兩條語句：
Out=A+B+C+D;
Out=(A+B)+(C+D);

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

① 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，但通過把一個工作周期內(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。

② 合理使用嵌入式陣列塊EAB資源和LPM宏單元庫。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，均會提供一些針對具體器件和設(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數(shù)據(jù)緩沖或多路選擇的方法來共享數(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)省了一個代價(jià)高昂的乘法器，整個設(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語言的使用方法和對設(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。