VHDL設(shè)計中電路優(yōu)化問題探討

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、模擬、綜合和測試功能為一體的vhdl語言，已作為ieee標準化的硬件描述語言。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,設(shè)計方法靈活，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)計方法的首選。vhdl設(shè)計是行為級設(shè)計，所帶來的問題是設(shè)計者的設(shè)計思考與電路結(jié)構(gòu)相脫節(jié)。設(shè)計者主要是根據(jù)vhdl的語法規(guī)則，對系統(tǒng)目標的邏輯行為進行描述，然后通過綜合工具進行電路結(jié)構(gòu)的綜合、編譯和優(yōu)化，并通過仿真工具進行邏輯功能仿真和系統(tǒng)時延的仿真。實際設(shè)計過程中，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現(xiàn)相同的邏輯功能，但其電路的復(fù)雜程度和時延特性差別很大，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)計中簡化電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電路設(shè)計的問題進行深入探討，很有必要。

vhdl電路設(shè)計的優(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)與實際系統(tǒng)的匹配，使系統(tǒng)性能達到最佳。
　　
③ 不是所有的設(shè)計都能實現(xiàn)到任意選擇的結(jié)構(gòu)中去。
　　
④ 電路優(yōu)化的目標相當于求最優(yōu)解的問題。

1 vhdl設(shè)計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，最終要實現(xiàn)的是實際硬件電路。但是其設(shè)計初衷并非綜合，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)計出的程序才有意義。在編程時要注意以下幾點：

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間，但綜合器不予支持，一般忽略該時間，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 聲明信號和變量時盡量不賦初值，定義某確定數(shù)值時，使用常量而不用變量賦初值的形式。因為大多數(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)用時盡量使用名稱關(guān)聯(lián)。因為名稱關(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)計電路的復(fù)雜程度除取決于設(shè)計功能的難度外，還受設(shè)計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，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，稍不注意，在描述不需要寄存器的電路時沒加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，同時進行加法運算，再將運算結(jié)果通過第三個加法器進行組合。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綜合工具實現(xiàn)的結(jié)果進行測試，比較結(jié)果如表1所列。　　　　　

2 優(yōu)化系統(tǒng)速度的vhdl設(shè)計策略

選用基于vhdl設(shè)計的cpld/fpga器件往往首先是為了滿足高速運行的需要，如通信系統(tǒng)。系統(tǒng)運行速度與電路節(jié)點之間的延時直接相關(guān)，因此，減少冗余邏輯，縮短節(jié)點延時是提高系統(tǒng)速度的關(guān)鍵。速度優(yōu)化與電路結(jié)構(gòu)設(shè)計（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)計是最常用的速度優(yōu)化技術(shù)。采用流水線設(shè)計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)同步實現(xiàn)的策略，可大大提高系統(tǒng)總體運行速度。

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)計的優(yōu)化選項。設(shè)計者在使用軟件時應(yīng)注意根據(jù)優(yōu)化目標的要求，適當修改軟件設(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)計可用圖1描述，例程4的設(shè)計可用圖2描述。可見例程4節(jié)省了一個代價高昂的乘法器，整個設(shè)計占用面積比例程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)，但其代價往往是速度的犧牲。在延時要求不高的情況下,采用這種方法可以達到減少電路復(fù)雜度、實現(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進行集成電路的設(shè)計，不僅需要熟悉vhdl語言的使用方法和對設(shè)計要求的深刻理解，而且應(yīng)在設(shè)計全程中遵循最優(yōu)化設(shè)計的基本原則，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件使用中尋找滿足設(shè)計要求的最佳方案。