十年FPGA開發經驗工程師教你的絕密設計技巧

從大學時代第一次接觸FPGA至今已有10多年的時間，至今記得當初第一次在EDA實驗平臺上完成數字秒表、搶答器、密碼鎖等實驗時那個興奮勁。當時由于沒有接觸到HDL硬件描述語言，設計都是在MAX+plus II原理圖環境下用74系列邏輯器件搭建起來的。后來讀研究生，工作陸陸續續也用過Quartus II、FoundaTIon、ISE、Libero，并且學習了verilogHDL語言，學習的過程中也慢慢體會到verilog的妙用，原來一小段語言就能完成復雜的原理圖設計，而且語言的移植性可操作性比原理圖設計強很多。

在學習一門技術之前我們往往從它的編程語言入手，比如學習單片機時，我們往往從匯編或者C語言入門。所以不少開始接觸FPGA的開發人員，往往是從 VHDL或者Verilog開始入手學習的。但我個人認為，若能先結合《數字電路基礎》系統學習各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對于學習HDL 語言大有裨益，往往會起到事半功倍的效果。

當然，任何編程語言的學習都不是一朝一夕的事，經驗技巧的積累都是在點滴中完成，FPGA設計也無例外。下面就以我的切身體會，談談FPGA設計的經驗技巧。

我們先談一下FPGA基本知識：

1、硬件設計基本原則

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

(1)速度與面積平衡和互換原則：

一個設計如果時序余量較大，所能跑的頻率遠高于設計要求，能可以通過模塊復用來減少整個設計消耗的芯片面積，這就是用速度優勢換面積的節約;

反之，如果一個設計的時序要求很高，普通方法達不到設計頻率，那么可以通過數據流串并轉換，并行復制多個操作模塊，對整個設計采用“乒乓操作”和“串并轉換”的思想進行處理，在芯片輸出模塊處再對數據進行“并串轉換”。從而實現了用面積復制換取速度的提高。

(2)硬件原則：理解HDL本質

(3)系統原則：整體把握

(4)同步設計原則：設計時序穩定的基本原則

2、Verilog作為一種HDL語言，對系統行為的建模方式是分層次的。比較重要的層次有系統級、算法級、寄存器傳輸級、邏輯級、門級、電路開關級。

3、實際工作中，除了描述仿真測試激勵時使用for循環語句外，極少在RTL級編碼中使用for循環，這是因為for循環會被綜合器展開為所有變量情況的執行語句，每個變量獨立占用寄存器資源，不能有效的復用硬件邏輯資源，造成巨大的浪費。一般常用case語句代替。

4、 if…else…和case在嵌套描述時是有很大區別的，if…else…是有優先級的，一般來說，第一個if的優先級最高，最后一個else的優先級最低。而case語句是平行語句，它是沒有優先級的，而建立優先級結構需要耗費大量的邏輯資源，所以能用case的地方就不要用if…else…語句。

補充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不帶優先級的“平行”語句。

5、FPGA一般觸發器資源比較豐富，而CPLD組合邏輯資源更豐富。

6、FPGA和CPLD的組成：

FPGA基本有可編程I/O單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核等6部分組成。

CPLD的結構相對比較簡單，主要由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線池和其他輔助功能模塊組成。

7、Block RAM：

3種塊RAM結構，M512 RAM(512bit)、M4K RAM(4Kbit)、M-RAM(64Kbit)。

M512 RAM：適合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等;

M4K RAM： 適用于一般的需求

M-RAM： 適合做大塊數據的緩沖區。

Xlinx 和 LatTIce FPGA的LUT可以靈活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存儲結構，這種技術被稱為分布式RAM。

補充：但是在一般的設計中，不提倡用FPGA/CPLD的片內資源配置成大量的存儲器，這是處于成本的考慮。所以盡量采用外接存儲器。

8、善用芯片內部的PLL或DLL資源完成時鐘的分頻、倍頻率、移相等操作，不僅簡化了設計，并且能有效地提高系統的精度和工作穩定性。

9、異步電路和同步時序電路的區別

異步電路：

電路核心邏輯有用組合電路實現;

異步時序電路的最大缺點是容易產生毛刺;

不利于器件移植;

不利于靜態時序分析(STA)、驗證設計時序性能。

同步時序電路：

電路核心邏輯是用各種觸發器實現;

電路主要信號、輸出信號等都是在某個時鐘沿驅動觸發器產生的;

同步時序電路可以很好的避免毛刺;

利于器件移植;

利于靜態時序分析(STA)、驗證設計時序性能。

10、同步設計中，穩定可靠的數據采樣必須遵從以下兩個基本原則：

(1)在有效時鐘沿到達前，數據輸入至少已經穩定了采樣寄存器的Setup時間之久，這條原則簡稱滿足Setup時間原則;

(2)在有效時鐘沿到達后，數據輸入至少還將穩定保持采樣寄存器的Hold時鐘之久，這條原則簡稱滿足Hold時間原則。

11、同步時序設計注意事項：

異步時鐘域的數據轉換。

組合邏輯電路的設計方法。

同步時序電路的時鐘設計。

同步時序電路的延遲。同步時序電路的延遲最常用的設計方法是用分頻或者倍頻的時鐘或者同步計數器完成所需的延遲，對比較大的和特殊定時要求的延時，一般用高速時鐘產生一個計數器，根據計數產生延遲;對于比較小的延遲，可以用D觸發器打一下，這樣不僅可以使信號延時了一個時鐘周期，而且完成了信號與時鐘的初次同步。在輸入信號采樣和增加時序約束余量中使用。另外，還有用行為級方法描述延遲，如“#5 a《=4’0101;”這種常用于仿真測試激勵，但是在電路綜合時會被忽略，并不能起到延遲作用。