十年FPGA開發(fā)經(jīng)驗工程師教你的絕密設(shè)計技巧

Verilog 定義的reg型，不一定綜合成寄存器。在Verilog代碼中最常用的兩種數(shù)據(jù)類型是wire和reg型，一般來說，wire型指定的數(shù)據(jù)和網(wǎng)線通過組合邏輯實現(xiàn)，而reg型指定的數(shù)據(jù)不一定就是用寄存器實現(xiàn)。

12、常用設(shè)計思想與技巧

(1)乒乓操作;

(2)串并轉(zhuǎn)換;

(3)流水線操作;

(4)異步時鐘域數(shù)據(jù)同步。是指如何在兩個時鐘不同步的數(shù)據(jù)域之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問題。數(shù)據(jù)時鐘域不同步主要有兩種情況：

兩個域的時鐘頻率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可測，簡稱為同頻異相問題。

兩個時鐘頻率根本不同，簡稱異頻問題。

兩種不推薦的異步時鐘域操作方法：一種是通過增加Buffer或者其他門延時來調(diào)整采樣;另一種是盲目使用時鐘正負(fù)沿調(diào)整數(shù)據(jù)采樣。

13、模塊劃分基本原則：

(1)對每個同步時序設(shè)計的子模塊的輸出使用寄存器(用寄存器分割同步時序模塊原則)。

(2)將相關(guān)邏輯和可以復(fù)用的邏輯劃分在同一模塊內(nèi)(呼應(yīng)系統(tǒng)原則)。

(3)將不同優(yōu)化目標(biāo)的邏輯分開。

(4)將送約束的邏輯歸到同一模塊。

(5)將存儲邏輯獨立劃分成模塊。

(6)合適的模塊規(guī)模。

(7)頂層模塊最好不進(jìn)行邏輯設(shè)計。

14、組合邏輯的注意事項

(1)避免組合邏輯反饋環(huán)路(容易毛刺、振蕩、時序違規(guī)等)。

解決：A、牢記任何反饋回路必須包含寄存器;B、檢查綜合、實現(xiàn)報告的warning信息，發(fā)現(xiàn)反饋回路(combinaTIonal loops)后進(jìn)行相應(yīng)修改。

(2)替換延遲鏈。

解決：用倍頻、分頻或者同步計數(shù)器完成。

(3)替換異步脈沖產(chǎn)生單元(毛刺生成器)。

解決：用同步時序設(shè)計脈沖電路。

(4)慎用鎖存器。

解決：A、使用完備的if…else語句;B、檢查設(shè)計中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路;C、對每個輸入條件，設(shè)計輸出操作，對case語句設(shè)置 default 操作。特別是在狀態(tài)機設(shè)計中，最好有一個default的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而且每個狀態(tài)最好也有一個default的操作。D、如果使用case語句時，特別是在設(shè)計狀態(tài)機時，盡量附加綜合約束屬性，綜合為完全條件case語句。

小技巧：仔細(xì)檢查綜合器的綜合報告，目前大多數(shù)的綜合器對所綜合出的latch都會報“warning”，通過綜合報告可以較為方便地找出無意中生成的latch。

15、時鐘設(shè)計的注意事項

1)同步時序電路推薦的時鐘設(shè)計方法：

時鐘經(jīng)全局時鐘輸入引腳輸入，通過FPGA內(nèi)部專用的PLL或DLL進(jìn)行分頻/倍頻、移相等調(diào)整與運算，然后經(jīng)FPGA內(nèi)部全局時鐘布線資源驅(qū)動到達(dá)芯片內(nèi)所有寄存器和其他模塊的時鐘輸入端。

FPGA設(shè)計者的5項基本功：仿真、綜合、時序分析、調(diào)試、驗證。

對于FPGA設(shè)計者來說，練好這5項基本功，與用好相應(yīng)的EDA工具是同一過程，對應(yīng)關(guān)系如下：

1. 仿真：Modelsim， Quartus II(Simulator Tool)

2. 綜合：Quartus II (Compiler Tool， RTL Viewer， Technology Map Viewer， Chip Planner)

3. 時序：Quartus II (TImeQuest Timing Analyzer， Technology Map Viewer， Chip Planner)

4. 調(diào)試：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer， Virtual JTAG， Assignment Editor)

5. 驗證：Modelsim， Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL語言雖然不是FPGA設(shè)計的全部，但是HDL語言對FPGA設(shè)計的影響貫穿于整個FPGA設(shè)計流程中，與FPGA設(shè)計的5項基本功是相輔相成的。

對于FPGA設(shè)計者來說，用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設(shè)計50%的工作——設(shè)計編碼。

練好仿真、綜合、時序分析這3項基本功，對于學(xué)習(xí)“HDL語言的可綜合子集”有如下幫助：

1. 通過仿真，可以觀察HDL語言在FPGA中的邏輯行為。

2. 通過綜合，可以觀察HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)形式。

3. 通過時序分析，可以分析HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)特性。

對于FPGA設(shè)計者來說，用好“HDL語言的驗證子集”，可以完成FPGA設(shè)計另外50%的工作——調(diào)試驗證。

1. 搭建驗證環(huán)境，通過仿真的手段可以檢驗FPGA設(shè)計的正確性。

2. 全面的仿真驗證可以減少FPGA硬件調(diào)試的工作量。

3. 把硬件調(diào)試與仿真驗證方法結(jié)合起來，用調(diào)試解決仿真未驗證的問題，用仿真保證已經(jīng)解決的問題不在調(diào)試中再現(xiàn)，可以建立一個回歸驗證流程，有助于FPGA設(shè)計項目的維護(hù)。

FPGA 設(shè)計者的這5項基本功不是孤立的，必須結(jié)合使用，才能完成一個完整的FPGA設(shè)計流程。反過來說，通過完成一個完整的設(shè)計流程，才能最有效地練習(xí)這5項基本功。對這5項基本功有了初步認(rèn)識，就可以逐個深入學(xué)習(xí)一些，然后把學(xué)到的知識再次用于完整的設(shè)計流程。如此反復(fù)，就可以逐步提高設(shè)計水平。采用這樣的循序漸進(jìn)、螺旋式上升的方法，只要通過培訓(xùn)入了門，就可以自學(xué)自練，自我提高。

市面上出售的有關(guān)FPGA設(shè)計的書籍為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，對 FPGA設(shè)計的每一個方面分開介紹，每一方面雖然深入，但是由于缺少其他相關(guān)方面的支持，讀者很難付諸實踐，只有通讀完全書才能對FPGA設(shè)計獲得一個整體的認(rèn)識。這樣的書籍，作為工程培訓(xùn)指導(dǎo)書不行，可以作為某一個方面進(jìn)階的參考書。

對于新入職的員工來說，他們往往對FPGA的整體設(shè)計流程有了初步認(rèn)識，5項基本功的某幾個方面可能很扎實。但是由于某個或某幾個方面能力的欠缺，限制了他們獨自完成整個設(shè)計流程的能力。入職培訓(xùn)的目的就是幫助他們掌握整體設(shè)計流程，培養(yǎng)自我獲取信息的能力，通過幾個設(shè)計流程來回的訓(xùn)練，形成自我促進(jìn)、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過程中，隨著對工作涉及的知識的廣度和深度的認(rèn)識逐步清晰，新員工的自信心也會逐步增強，對個人的發(fā)展方向也會逐步明確，才能積極主動地參與到工程項目中來。

最后總結(jié)幾點：

1)看代碼，建模型

只有在腦海中建立了一個個邏輯模型，理解FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，才能明白為什么寫Verilog和寫C整體思路是不一樣的，才能理解順序執(zhí)行語言和并行執(zhí)行語言的設(shè)計方法上的差異。在看到一段簡單程序的時候應(yīng)該想到是什么樣的功能電路。