芯片设计|FPGA 设计的指导原则

Posted 2023-01-31 IC观察者

我们接上一期的[FPGA 设计的指导原则（一)给大家讲解FPGA 设计的指导原则。
当评估完系统的流水线时间余量后，发现整个流水线有 16 个时钟周期，而 FHT 模块的频率很高，加法本身仅仅消耗 1 个时钟周期，加上数据的选择和分配所消耗时间，也能完全满足频率要求，所以将单步 FHT 运算复用 4 次，就能大幅度节约所消耗的资源。这种复用单步算法的 FHT 实现框图如图 1-2 所示，由输入选择寄存、单步 FHT 模块、输出选择寄存、计数器构成。

代码如下：

//复用单步算法的 FHT 运算模块
module wch_fht(Clk,Reset, 
 PreFhtStar, 
 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; //异步复位信号
input PreFhtStar; //FHT 运算指示信号，和上级模块运算关联
input [11:0] In0,In1,In2,In3,In4,In5,In6,In7; 
input [11:0] In8,In9,In10,In11,In12,In13,In14,In15; //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 
//FHT 输出寄存信号
reg [15:0] Out0,Out1,Out2,Out3,Out4,Out5,Out6,Out7; 
reg [15:0] Out8,Out9,Out10,Out11,Out12,Out13,Out14,Out15; 
//FHT 的中间结果
wire [15:0] Temp0,Temp1,Temp2,Temp3,Temp4,Temp5,Temp6,Temp7; 
wire [15:0] Temp8,Temp9,Temp10,Temp11,Temp12,Temp13,Temp14,Temp15; 
//FHT 运算控制计数器，和前一级流水线模块配合
reg [2:0] Cnt3;//count from 0 to 4,when Reset Cnt3=7; 
reg FhtEn;//Enable fht culculate 
always @(posedge Clk or negedge Reset) 
begin 
 if (!Reset) 
 Cnt3<= #1 3'b111; 
 else 
 begin  if(PreFhtStar) 
 Cnt3<= #1 3'b100; 
 else 
 Cnt3<= #1 Cnt3-1; 
 end 
end 
always @(posedge Clk or negedge Reset) 
if (!Reset) 
 FhtEn<= #1 0; 
else 
begin 
 if (PreFhtStar) 
 FhtEn<= #1 1; 
 if (Cnt3==1) 
 FhtEn<= #1 0; 
end 
//补码运算，复制符号位
 assign Temp0=(Cnt3==4)?4In0[11],In0:Out0; 
 assign Temp1=(Cnt3==4)?4In1[11],In1:Out1; 
 assign Temp2=(Cnt3==4)?4In2[11],In2:Out2; 
 assign Temp3=(Cnt3==4)?4In3[11],In3:Out3; 
 assign Temp4=(Cnt3==4)?4In4[11],In4:Out4; 
 assign Temp5=(Cnt3==4)?4In5[11],In5:Out5; 
 assign Temp6=(Cnt3==4)?4In6[11],In6:Out6; 
 assign Temp7=(Cnt3==4)?4In7[11],In7:Out7; 
 assign Temp8=(Cnt3==4)?4In8[11],In8:Out8; 
 assign Temp9=(Cnt3==4)?4In9[11],In9:Out9; 
 assign Temp10=(Cnt3==4)?4In10[11],In10:Out10; 
 assign Temp11=(Cnt3==4)?4In11[11],In11:Out11; 
 assign Temp12=(Cnt3==4)?4In12[11],In12:Out12;  assign Temp13=(Cnt3==4)?4In13[11],In13:Out13; 
 assign Temp14=(Cnt3==4)?4In14[11],In14:Out14; 
 assign Temp15=(Cnt3==4)?4In15[11],In15:Out15; 
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 ((Cnt3<=4) && Cnt3>=0 && FhtEn) 
 begin 
 Out0[15:0]<= #1 Temp0[15:0]+Temp8[15:0]; 
 Out1[15:0]<= #1 Temp0[15:0]-Temp8[15:0]; 
 Out2[15:0]<= #1 Temp1[15:0]+Temp9[15:0]; 
 Out3[15:0]<= #1 Temp1[15:0]-Temp9[15:0]; 
 Out4[15:0]<= #1 Temp2[15:0]+Temp10[15:0]; 
 Out5[15:0]<= #1 Temp2[15:0]-Temp10[15:0]; 
 Out6[15:0]<= #1 Temp3[15:0]+Temp11[15:0]; 
 Out7[15:0]<= #1 Temp3[15:0]-Temp11[15:0]; 
 Out8[15:0]<= #1 Temp4[15:0]+Temp12[15:0]; 
 Out9[15:0]<= #1 Temp4[15:0]-Temp12[15:0]; 
 Out10[15:0]<= #1 Temp5[15:0]+Temp13[15:0]; 
 Out11[15:0]<= #1 Temp5[15:0]-Temp13[15:0]; 
 Out12[15:0]<= #1 Temp6[15:0]+Temp14[15:0]; 
 Out13[15:0]<= #1 Temp6[15:0]-Temp14[15:0];  Out14[15:0]<= #1 Temp7[15:0]+Temp15[15:0]; 
 Out15[15:0]<= #1 Temp7[15:0]-Temp15[15:0]; 
 end 
 end 
end 
endmodule 

为了便于对比两种实现方式的资源消耗，我在 Synplify Pro 对两种实现方法分别做了综合。两次综合选用的参数都完全一致，器件类型为：Xilinx Virtex-E XCV100E －6 BG352，出于仅仅考察设计所消耗的寄存器和逻辑资源，Enable“Disable I/O Insertion”选项，不插入 IO，取消 Synplify Pro 中诸如“FSM Compiler”、“FSM Explorer”、“Resource Sharing”、“Retiming”、“Pipelining”等综合优化选项。两次综合的结果如图 1-3，图 1-4 所示。

通过对比可以清晰的观察到，采样复用实现方案所占面积约为原方案的 1/4，而得到这个好处的代价是：完成整个 FHT 运算的周期为原来的 4 倍。这个例子通过运算周期的加长，换取了消耗芯片面积的减少，是前面所述的用频率换面积的一种体现。https://ic.coachip.cn/resource/detail/99 这块也给大家详细介绍过。本例所述“频率换面积”的前提是：FHT 模块频率较高，运算周期的余量较大，采用 4 步复用后，仍然能够满足系统流水线设计的要求。其实，如果流水线时序允许，FHT 运算甚至可以采用 1bit 全串行方案实现，该方案所消耗的芯片面积资源更少！
例 2：如何使用“面积复制换速度提高”？
举一个路由器设计的一个例子。假设输入数据流的速率是 350Mb/s，在而 FPGA 上设计的数据处理模块的处理速度最大为 150Mb/s，由于处理模块的数据吞吐量满足不了要求，看起来直接在 FPGA 上实现是一个“impossible mission”。这种情况下，就应该利用“面积换速度”的思想，至少复制 3 个处理模块，首先将输入数据进行串并转换，然后利用这三个模块并行处理分配的数据，然后将处理结果“并串变换”，就完成数据速率的要求。我们在整个处理模块的两端看，数据速率是 350Mb/s，而在 FPGA 的内部看，每个子模块处理的数据速率是 150Mb/s，其实整个数据的吞吐量的保障是依赖于 3 个子模块并行处理完成的，也就是说占用了更多的芯片面积，实现了高速处理，通过“面积的复制换取处理速度的提高”的思想实现了设计。设计的示意框图如图 1-5 所示。

上面仅仅是对“面积换速度”思想的一个简单的举例，其实具体操作过程中还涉及很多的方法和技巧，例如，对高速数据流进行串并转换，采用“乒乓操作”方法提高数据处理速率等。希望读者通过平时的应用进一步积累。
如果大家比较感兴趣，下期会给大家更新基本原则之二：硬件原则。