影響FPGA設(shè)計(jì)中時(shí)鐘因素的探討

　　綜上所述，如果不考慮時(shí)鐘的延時(shí)那么只需關(guān) 心建立時(shí)間，如果考慮時(shí)鐘的延時(shí)那么更需關(guān)心保持時(shí)間。下面將要分析在FPGA設(shè)計(jì)中如何提高同步系統(tǒng)中的工作時(shí)鐘。

　　1.2 如何提高同步系統(tǒng)中的工作時(shí)鐘

　　從上面的分析可以看出同步系統(tǒng)時(shí)對D2建立時(shí)間T3的要求為：

　　T-Tco-T2max>＝T3

　　所以很容易推出T>＝T3+Tco+T2max,其中T3為D2的建立時(shí)間Tset，T2為組合邏輯的延時(shí)。在一個(gè)設(shè)計(jì)中T3和Tco都是由器件決定的固定值，可控的也只有T2也就時(shí)輸入端組合邏輯的延時(shí)，所以通過盡量來減小T2就可以提高系統(tǒng)的工作時(shí)鐘。為了達(dá)到減小T2在設(shè)計(jì)中可以用下面不同的幾種方法綜合來實(shí)現(xiàn)。

　　1.2.1 通過改變走線的方式來減小延時(shí)

　　以altera的器件為例，我們在quartus里面的timing closure floorplan可以看到有很多條條塊塊，我們可以將條條塊塊按行和按列分，每一個(gè)條塊代表1個(gè)LAB，每個(gè)LAB里有8個(gè)或者是10個(gè)LE。它們的走線時(shí)延的關(guān)系如下：同一個(gè)LAB中（最快） < 同列或者同行 < 不同行且不同列。我們通過給綜合器加適當(dāng)?shù)募s束（約束要適量，一般以加5%裕量較為合適，比如電路工作在100Mhz，則加約束加到105Mhz就可以了，過大的約束效果反而不好，且極大增加綜合時(shí)間）可以將相關(guān)的邏輯在布線時(shí)盡量布的靠近一點(diǎn)，從而減少走線的時(shí)延。

　　1.2.2 通過拆分組合邏輯的方法來減小延時(shí)

　　由于一般同步電路都不止一級鎖存（如圖8），而要使電路穩(wěn)定工作，時(shí)鐘周期必須滿足最大延時(shí)要求，縮短最長延時(shí)路徑，才可提高電路的工作頻率。如圖7所示：我們可以將較大的組合邏輯分解為較小的幾塊，中間插入觸發(fā)器，這樣可以提高電路的工作頻率。這也是所謂“流水線”（pipelining）技術(shù)的基本原理。

　　對于圖8的上半部分，它時(shí)鐘頻率受制于第二個(gè)較大的組合邏輯的延時(shí)，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄆ骄峙浣M合邏輯，可以避免在兩個(gè)觸發(fā)器之間出現(xiàn)過大的延時(shí)，消除速度瓶頸。

圖7 分割組合邏輯

圖8 轉(zhuǎn)移組合邏輯

　　那么在設(shè)計(jì)中如何拆分組合邏輯呢，更好的方法要在實(shí)踐中不斷的積累，但是一些良好的設(shè)計(jì)思想和方法也需要掌握。我們知道，目前大部分FPGA都基于4輸入 LUT的，如果一個(gè)輸出對應(yīng)的判斷條件大于四輸入的話就要由多個(gè)LUT級聯(lián)才能完成，這樣就引入一級組合邏輯時(shí)延，我們要減少組合邏輯，無非就是要輸入條件盡可能的少，這樣就可以級聯(lián)的LUT更少，從而減少了組合邏輯引起的時(shí)延。

　　我們平時(shí)聽說的流水就是一種通過切割大的組合邏輯（在其中插入一級或多級D觸發(fā)器，從而使寄存器與寄存器之間的組合邏輯減少）來提高工作頻率的方法。比如一個(gè)32 位的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的進(jìn)位鏈很長，必然會(huì)降低工作頻率，我們可以將其分割成4位和 8位的計(jì)數(shù)，每當(dāng)4位的計(jì)數(shù)器計(jì)到15后觸發(fā)一次8位的計(jì)數(shù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)器的切割，也提高了工作頻率。

　　在狀態(tài)機(jī)中，一般也要將大的計(jì)數(shù)器移到狀態(tài)機(jī)外，因?yàn)橛?jì)數(shù)器這東西一般是經(jīng)常是大于4輸入的，如果再和其它條件一起做為狀態(tài)的跳變判據(jù)的話，必然會(huì)增加LUT的級聯(lián)，從而增大組合邏輯。以一個(gè)6輸入的計(jì)數(shù)器為例，我們原希望當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111100后狀態(tài)跳變，現(xiàn)在我們將計(jì)數(shù)器放到狀態(tài)機(jī)外，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111011后產(chǎn)生個(gè)enable信號(hào)去觸發(fā)狀態(tài)跳變，這樣就將組合邏輯減少了。狀態(tài)機(jī)一般包含三個(gè)模塊，一個(gè)輸出模塊，一個(gè)決定下個(gè)狀態(tài)是什么的模塊和一個(gè)保存當(dāng)前狀態(tài)的模塊。組成三個(gè)模塊所采用的邏輯也各不相同。輸出模塊通常既包含組合邏輯又包含時(shí)序邏輯；決定下一個(gè)狀態(tài)是什么的模塊通常又組合邏輯構(gòu)成；保存現(xiàn)在狀態(tài)的通常由時(shí)序邏輯構(gòu)成。三個(gè)模塊的關(guān)系如下圖9所示。

圖9 狀態(tài)機(jī)的組成

　　所有通常寫狀態(tài)機(jī)時(shí)也按照這三個(gè)模塊將狀態(tài)機(jī)分成三部分來寫，如下面就是一種良好的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法：
/*-----------------------------------------------------
This is FSM demo program
Design Name : arbiter
File Name : arbiter2.v
-----------------------------------------------------*/
module arbiter2 (
clock , // clock
reset , // Active high, syn reset
req_0 , // Request 0
req_1 , // Request 1
gnt_0 ,
gnt_1);
//-------------Input Ports-----------------------------
input clock ;
input res