芯片设计|FPGA 设计的指导原则

Posted 2023-02-15 IC观察者

这一部分主要介绍 FPGA/CPLD 设计的指导性原则，如 FPGA 设计的基本原则、基本设计思想、基本操作技巧、常用模等。
FPGA/CPLD 设计的基本原则、思想、技巧和常用模块是一个非常大的问题，在此不可能面面俱到，只能我们公司项目中常用的一些设计原则与方法提纲携领地加以介绍，希望引起同事们的注意，如果大家能有意识的用这些原则方法指导日后的工作，不断积累和充实自己，将取得事半功倍的效果！

1.1 基本原则之一：面积和速度的平衡与互换

这里“面积”指一个设计消耗 FPGA/CPLD 的逻辑资源的数量，对于 FPGA 可以用所消耗的触发器(FF)和查找表(LUT)来衡量，更一般的衡量方式可以用设计所占用的等价逻辑门数。“速度”指设计在芯片上稳定运行，所能够达到的最高频率，这个频率由设计的时序状况决定，和设计满足的时钟周期，PAD to PAD Time，Clock Setup Time，Clock Hold Time，Clock-to-Output Delay 等众多时序特征量密切相关。面积(area)和速度(speed)这两个指标贯穿着 FPGA/CPLD 设计的始终，是设计质量的评价的终极标准。这里我们就讨论一下关于面积和速度的两个最基本的概念：面积与速度的平衡和面积与速度的互换。

面积和速度是一对对立统一的矛盾体。要求一个同时具备设计面积最小，运行频率最高是不现实的。更科学的设计目标应该是在满足设计时序要求(包含对设计频率的要求)的前提下，占用最小的芯片面积。或者在所规定的面积下，使设计的时序余量更大，频率跑得更
高。这两种目标充分体现了面积和速度的平衡的思想。关于面积和速度的要求，我们不应该简单的理解为工程师水平的提高和设计完美性的追求，而应该认识到它们是和我们产品的质量和成本直接相关的。如果设计的时序余量比较大，跑的频率比较高，意味着设计的健壮性更强，整个系统的质量更有保证;另一方面，设计所消耗的面积更小，则意味着在单位芯片上实现的功能模块更多，需要的芯片数量更少，整个系统的成本也随之大幅度削减。

作为矛盾的两个组成部分，面积和速度的地位是不一样的。相比之下，满足时序、工作频率的要求更重要一些，当两者冲突时，采用速度优先的准则。

面积和速度的互换是 FPGA/CPLD 设计的一个重要思想。从理论上讲，一个设计如果时序余量较大，所能跑的频率远远高于设计要求，那么就能通过功能模块复用减少整个设计消耗的芯片面积，这就是用速度的优势换面积的节约;反之，如果一个设计的时序要求很高，普通方法达不到设计频率，那么一般可以通过将数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对整个设计采取“乒乓操作”和“串并转换”的思想进行运作，在芯片输出模块再对数据进行“并串转换”，是从宏观上看整个芯片满足了处理速度的要求，这相当于用面积复制换速度提高。面积和速度的互换的具体操作有很多的技巧，比如模块复用，“乒乓操作”，“串并转换”等，需要大家在日后工作中积累掌握。关于这个问题IC修真院也给大家详细介绍过，下面举例说明如何使用“速度换面积”和“面积换速度”。

例 1：如何使用“速度的优势换取面积的节约”？
在 WCDMA 预商用系统设计中，使用到了快速哈达码（FHT）运算，FHT 由四步相同的算法完成，如图 1 所示。FHT 的单步算法如下：

原设计由于考虑流水线式数据处理的要求，做了不同端口宽度的 4 个单步 FHT，并用将这 4 个步模块串联起来，以完成数据流的流水线处理。该 FHT 实现方式的代码如下：
//该模块是 FHT 的顶层，调用 4 个不同端口宽度的单步 FHT 模块，完成整个 FHT 算法
module fhtpart(Clk,Reset,FhtStarOne,FhtStarTwo,FhtStarThree,FhtStarFour,
I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8,
I9,I10,I11,I12,I13,I14,I15,
Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7,Out8,
Out9,Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15);
input Clk; //设计的主时钟
input Reset; //异步复位
input FhtStarOne,FhtStarTwo,FhtStarThree,FhtStarFour; //4 个单步算法的时序控制
信号
input [11:0] I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8;
input [11:0] I9,I10,I11,I12,I13,I14,I15; //FHT 的 16 个输入
output [15:0] Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7;
output [15:0] Out8,Out9,Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15; //FHT 的 16 个输出
//第 1 次 FHT 单步运算的输出
wire [12:0] m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8,m9;
wire [12:0] m10,m11,m12,m13,m14,m15;
//第 2 次 FHT 单步运算的输出
wire [13:0] mm0,mm1,mm2,mm3,mm4,mm5,mm6,mm7,mm8,mm9;
wire [13:0] mm10,mm11,mm12,mm13,mm14,mm15;
//第 3 次 FHT 单步运算的输出
wire [14:0] mmm0,mmm1,mmm2,mmm3,mmm4,mmm5,mmm6,mmm7,mmm8,mmm9;
wire [14:0] mmm10,mmm11,mmm12,mmm13,mmm14,mmm15;
//第 4 次 FHT 单步运算的输出
wire [15:0] Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7,Out8,Out9;
wire [15:0] Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15;
//第 1 次 FHT 单步运算
fht_unit1 fht_unit1(Clk,Reset,FhtStarOne,
I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8,
I9,I10,I11,I12,I13,I14,I15,
m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8,
m9,m10,m11,m12,m13,m14,m15
);
//第 2 次 FHT 单步运算
fht_unit2 fht_unit2(Clk,Reset,FhtStarTwo,
m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8,
m9,m10,m11,m12,m13,m14,m15,
mm0,mm1,mm2,mm3,mm4,mm5,mm6,mm7,mm8,
mm9,mm10,mm11,mm12,mm13,mm14,mm15
);
//第 3 次 FHT 单步运算
fht_unit3 fht_unit3(Clk,Reset,FhtStarThree,
mm0,mm1,mm2,mm3,mm4,mm5,mm6,mm7,mm8,
mm9,mm10,mm11,mm12,mm13,mm14,mm15, mmm0,mmm1,mmm2,mmm3,mmm4,mmm5,mmm6,mmm7,mmm8,
mmm9,mmm10,mmm11,mmm12,mmm13,mmm14,mmm15
);
//第 4 次 FHT 单步运算
fht_unit4 fht_unit4(Clk,Reset,FhtStarFour,
mmm0,mmm1,mmm2,mmm3,mmm4,mmm5,mmm6,mmm7,mmm8,
mmm9,mmm10,mmm11,mmm12,mmm13,mmm14,mmm15,
Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7,Out8,
Out9,Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15
);
endmodule
单步 FHT 运算如下（仅仅举例第 4 步的模块）：
module fht_unit4(Clk,Reset,FhtStar,
In0,In1,In2,In3,In4,In5,In6,In7,In8,
In9,In10,In11,In12,In13,In14,In15,
Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7,Out8,
Out9,Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15
);
input Clk; //设计的主时钟
input Reset; //异步复位
input FhtStar; //单步 FHT 运算控制信号
input [14:0] In0,In1,In2,In3,In4,In5,In6,In7,In8,In9;
input [14:0] In10,In11,In12,In13,In14,In15; //单步 FHT 运算输入
output [15:0] Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7,Out8,Out9;
output [15:0] Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15; //单步 FHT 运算输出
//Single FHT calculation
reg [15:0] Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5;
reg [15:0] Out6,Out7,Out8,Out9,Out10,Out11;
reg [15:0] Out12,Out13,Out14,Out15;
//补码运算wire [14:0] In8Co =~In8+1;
wire [14:0] In9Co =~In9+1;
wire [14:0] In10Co=~In10+1;
wire [14:0] In11Co=~In11+1;
wire [14:0] In12Co=~In12+1;
wire [14:0] In13Co=~In13+1;
wire [14:0] In14Co=~In14+1;
wire [14:0] In15Co=~In15+1;
always @(posedge Clk or negedge Reset)
begin
if(!Reset)
begin
Out0<=0;Out1<=0;Out2<=0;Out3<=0;
Out4<=0;Out5<=0;Out6<=0;Out7<=0;
Out8<=0;Out9<=0;Out10<=0;Out11<=0;
Out12<=0;Out13<=0;Out14<=0;Out15<=0;
end
else
begin
if(FhtStar)
begin
Out0<=In0[14],In0 +In8[14],In8 ;
Out1<=In0[14],In0 +In8Co[14],In8Co ;
Out2<=In1[14],In1 +In9[14],In9 ;
Out3<=In1[14],In1 +In9Co[14],In9Co ;
Out4<=In2[14],In2 +In10[14],In10 ;
Out5<=In2[14],In2 +In10Co[14],In10Co ;
Out6<=In3[14],In3 +In11[14],In11 ;
Out7<=In3[14],In3 +In11Co[14],In11Co ;
Out8<=In4[14],In4 +In12[14],In12 ; Out9<=In4[14],In4 +In12Co[14],In12Co ;
Out10<=In5[14],In5 +In13[14],In13 ;
Out11<=In5[14],In5 +In13Co[14],In13Co ;
Out12<=In6[14],In6 +In14[14],In14 ;
Out13<=In6[14],In6 +In14Co[14],In14Co ;
Out14<=In7[14],In7 +In15[14],In15 ;
Out15<=In7[14],In7 +In15Co[14],In15Co ;
end
end
end
endmodule
以上就是给大家的分享，如果大家还需要后续，我将会继续为大家更新。