1、硬件設計基本原則
(1)速度與面積平衡和互換原則:一個(gè)設計如果時(shí)序余量較大,所能跑的頻率遠高于設計要求,能可以通過(guò)模塊復用來(lái)減少整個(gè)設計消耗的芯片面積,這就是用速度優(yōu)勢換面積的節約;反之,如果一個(gè)設計的時(shí)序要求很高,普通方法達不到設計頻率,那么可以通過(guò)數據流串并轉換,并行復制多個(gè)操作模塊,對整個(gè)設計采用“乒乓操作”和“串并轉換”的思想進(jìn)行處理,在芯片輸出模塊處再對數據進(jìn)行“并串轉換”。從而實(shí)現了用面積復制換取速度的提高。
(2)硬件原則:理解HDL本質(zhì);
(3)系統原則:整體把握;
(4)同步設計原則:設計時(shí)序穩定的基本原則。
2、Verilog作為一種HDL語(yǔ)言,對系統行為的建模方式是分層次的。比較重要的層次有系統級(system)、算法級(Algorithm)、寄存器傳輸級(RTL)、邏輯級(Logic)、門(mén)級(Gate)、電路 開(kāi)關(guān)級(Switch)。
3、實(shí)際工作中,除了描述仿真 測試激勵(Testbench)時(shí)使用for循環(huán)語(yǔ)句外,極少在RTL級編碼中使用for循環(huán),這是因為for循環(huán)會(huì )被綜合器展開(kāi)為所有變量情況的執行語(yǔ)句,每個(gè)變量獨立占用寄存器資源,不能有效的復用硬件邏輯資源,造成巨大的浪費。一般常用case語(yǔ)句代替。
4、if…else…和case在嵌套描述時(shí)是有很大區別的,if…else…是有優(yōu)先級的,一般來(lái)說(shuō),第一個(gè)if的優(yōu)先級最高,最后一個(gè)else的優(yōu)先級最低。而case語(yǔ)句是平行語(yǔ)句,它是沒(méi)有優(yōu)先級的,而建立優(yōu)先級結構需要耗費大量的邏輯資源,所以能用case的地方就不要用if…else…語(yǔ)句。
補充:1.也可以用if…; if…; if…;描述不帶優(yōu)先級的“平行”語(yǔ)句。
5、FPGA 一般觸發(fā)器資源比較豐富,而CPLD組合邏輯資源更豐富。
6、FPGA和CPLD的組成:
FPGA基本有可編程I/O單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式 塊RAM、豐富的布線(xiàn)資源、底層嵌入功能單元和內嵌專(zhuān)用硬核等6部分組成。
CPLD的結構相對比較簡(jiǎn)單,主要由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線(xiàn)池和其他輔助功能模塊組成。
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7、Block RAM:
3種塊RAM結構,M512 RAM(512bit)、M4K RAM(4Kbit)、M-RAM(64Kbit)。
M512 RAM:適合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等;
M4K RAM:適用于一般的需求
M-RAM:適合做大塊數據的緩沖區。
Xlinx 和 Latti ce FPGA的LUT可以靈活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存儲結構,這種技術(shù)被稱(chēng)為分布式RAM。
補充:但是在一般的設計中,不提倡用FPGA/CPLD的片內資源配置成大量的存儲器,這是處于成本的考慮。所以盡量采用外接存儲器。
8、善用芯片內部的PLL或DLL資源完成時(shí)鐘的分頻、倍頻率、移相等操作,不僅簡(jiǎn)化了設計,并且能有效地提高系統的精度和工作穩定性。
9、異步電路和同步時(shí)序電路的區別
異步電路:
電路核心邏輯有用組合電路實(shí)現;
異步時(shí)序電路的最大缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生毛刺;
不利于器件移植;
不利于靜態(tài)時(shí)序分析(STA)、驗證設計時(shí)序性能。
同步時(shí)序電路:
電路核心邏輯是用各種觸發(fā)器實(shí)現;
電路主要信號、輸出信號等都是在某個(gè)時(shí)鐘沿驅動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生的;
同步時(shí)序電路可以很好的避免毛刺;
利于器件移植;
利于靜態(tài)時(shí)序分析(STA)、驗證設計時(shí)序性能。
10、同步設計中,穩定可靠的數據采樣必須遵從以下兩個(gè)基本原則:
(1)在有效時(shí)鐘沿到達前,數據輸入至少已經(jīng)穩定了采樣寄存器的Setup時(shí)間之久,這條原則簡(jiǎn)稱(chēng)滿(mǎn)足Setup時(shí)間原則;
(2)在有效時(shí)鐘沿到達后,數據輸入至少還將穩定保持采樣寄存器的Hold時(shí)鐘之久,這條原則簡(jiǎn)稱(chēng)滿(mǎn)足Hold時(shí)間原則。
11、同步時(shí)序設計注意事項:
異步時(shí)鐘域的數據轉換。
組合邏輯電路的設計方法。
同步時(shí)序電路的時(shí)鐘設計。
同步時(shí)序電路的延遲。同步時(shí)序電路的延遲最常用的設計方法是用分頻或者倍頻的時(shí)鐘或者同步計數器完成所需的延遲,對比較大的和特殊定時(shí)要求的延時(shí),一般用高速時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)計數器,根據計數產(chǎn)生延遲;對于比較小的延遲,可以用D觸發(fā)器打一下,這樣不僅可以使信號延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期,而且完成了信號與時(shí)鐘的初次同步。在輸入信號采樣和增加時(shí)序約束余量中使用。另外,還有用行為級方法描述延遲,如“#5 a<=4’0101;”這種常用于仿真測試激勵,但是在電路綜合時(shí)會(huì )被忽略,并不能起到延遲作用。
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據類(lèi)型是wire和reg型,一般來(lái)說(shuō),wire型指定的數據和網(wǎng)線(xiàn)通過(guò)組合邏輯實(shí)現,而reg型指定的數據不一定就是用寄存器實(shí)現。
12、常用設計思想與技巧
(1)乒乓操作;
(2)串并轉換;
(3)流水線(xiàn)操作;
(4)異步時(shí)鐘域數據同步。是指如何在兩個(gè)時(shí)鐘不同步的數據域之間可靠地進(jìn)行數據交換的問(wèn)題。數據時(shí)鐘域不同步主要有兩種情況:
兩個(gè)域的時(shí)鐘頻率相同,但是相差不固定,或者相差固定但是不可測,簡(jiǎn)稱(chēng)為同頻異相問(wèn)題。
兩個(gè)時(shí)鐘頻率根本不同,簡(jiǎn)稱(chēng)異頻問(wèn)題。
兩種不推薦的異步時(shí)鐘域操作方法:一種是通過(guò)增加Buffer或者其他門(mén)延時(shí)來(lái)調整采樣;另一種是盲目使用時(shí)鐘正負沿調整數據采樣。
13、模塊劃分基本原則:
(1)對每個(gè)同步時(shí)序設計的子模塊的輸出使用寄存器(用寄存器分割同步時(shí)序模塊原則)。
(2)將相關(guān)邏輯和可以復用的邏輯劃分在同一模塊內(呼應系統原則)。
(3)將不同優(yōu)化目標的邏輯分開(kāi)。
(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)合適的模塊規模。
(7)頂層模塊最好不進(jìn)行邏輯設計。
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(shí)序違規等)。
解決:
A、牢記任何反饋回路必須包含寄存器;
B、檢查綜合、實(shí)現報告的warning信息,發(fā)現反饋回路(combinational loops)后進(jìn)行相應修改。
(2)替換延遲鏈。
解決:用倍頻、分頻或者同步計數器完成。
(3)替換異步脈沖產(chǎn)生單元(毛刺生成器)。
解決:用同步時(shí)序設計脈沖電路。
(4)慎用鎖存器。
解決:
A、使用完備的if…else語(yǔ)句;
B、檢查設計中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路;
C、對每個(gè)輸入條件,設計輸出操作,對case語(yǔ)句設置default操作。特別是在狀態(tài)機設計中,最好有一個(gè)default的狀態(tài)轉移,而且每個(gè)狀態(tài)最好也有一個(gè)default的操作。
D、如果使用case語(yǔ)句時(shí),特別是在設計狀態(tài)機時(shí),盡量附加綜合約束屬性,綜合為完全條件case語(yǔ)句。
小技巧:仔細檢查綜合器的綜合報告,目前大多數的綜合器對所綜合出的latch都會(huì )報“warning”,通過(guò)綜合報告可以較為方便地找出無(wú)意中生成的latch。
15、時(shí)鐘設計的注意事項
同步時(shí)序電路推薦的時(shí)鐘設計方法:
時(shí)鐘經(jīng)全局時(shí)鐘輸入引腳輸入,通過(guò)FPGA內部專(zhuān)用的PLL或DLL進(jìn)行分頻/倍頻、移相等調整與運算,然后經(jīng)FPGA內部全局時(shí)鐘布線(xiàn)資源驅動(dòng)到達芯片內所有寄存器和其他模塊的時(shí)鐘輸入端。
FPGA設計者的5項基本功:仿真、綜合、時(shí)序分析、調試、驗證。
對于FPGA設計者來(lái)說(shuō),練好這5項基本功,與用好相應的EDA工具是同一過(guò)程,對應關(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(shí)序:Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)
4. 調試:Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)
5. 驗證:Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)
掌握HDL語(yǔ)言雖然不是FPGA設計的全部,但是HDL語(yǔ)言對FPGA設計的影響貫穿于整個(gè)FPGA設計流程中,與FPGA設計的5項基本功是相輔相成的。
對于FPGA設計者來(lái)說(shuō),用好“HDL語(yǔ)言的可綜合子集”可以完成FPGA設計50%的工作——設計編碼。
練好仿真、綜合、時(shí)序分析這3項基本功,對于學(xué)習“HDL語(yǔ)言的可綜合子集”有如下幫助:
1. 通過(guò)仿真,可以觀(guān)察HDL語(yǔ)言在FPGA中的邏輯行為。
2. 通過(guò)綜合,可以觀(guān)察HDL語(yǔ)言在FPGA中的物理實(shí)現形式。
3. 通過(guò)時(shí)序分析,可以分析HDL語(yǔ)言在FPGA中的物理實(shí)現特性。
對于FPGA設計者來(lái)說(shuō),用好“HDL語(yǔ)言的驗證子集”,可以完成FPGA設計另外50%的工作——調試驗證。
1. 搭建驗證環(huán)境,通過(guò)仿真的手段可以檢驗FPGA設計的正確性。
2. 全面的仿真驗證可以減少FPGA硬件調試的工作量。
3. 把硬件調試與仿真驗證方法結合起來(lái),用調試解決仿真未驗證的問(wèn)題,用仿真保證已經(jīng)解決的問(wèn)題不在調試中再現,可以建立一個(gè)回歸驗證流程,有助于FPGA設計項目的維護。
FPGA設計者的這5項基本功不是孤立的,必須結合使用,才能完成一個(gè)完整的FPGA設計流程。反過(guò)來(lái)說(shuō),通過(guò)完成一個(gè)完整的設計流程,才能最有效地練習這5項基本功。對這5項基本功有了初步認識,就可以逐個(gè)深入學(xué)習一些,然后把學(xué)到的知識再次用于完整的設計流程。如此反復,就可以逐步提高設計水平。采用這樣的循序漸進(jìn)、螺旋式上升的方法,只要通過(guò)培訓入了門(mén),就可以自學(xué)自練,自我提高。
市面上出售的有關(guān)FPGA設計的書(shū)籍為了保證結構的完整性,對FPGA設計的每一個(gè)方面分開(kāi)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(shí)踐,只有通讀完全書(shū)才能對FPGA設計獲得一個(gè)整體的認識。這樣的書(shū)籍,作為工程培訓指導書(shū)不行,可以作為某一個(gè)方面進(jìn)階的參考書(shū)。
對于新入職的員工來(lái)說(shuō),他們往往對FPGA的整體設計流程有了初步認識,5項基本功的某幾個(gè)方面可能很扎實(shí)。但是由于某個(gè)或某幾個(gè)方面能力的欠缺,限制了他們獨自完成整個(gè)設計流程的能力。
入職培訓的目的就是幫助他們掌握整體設計流程,培養自我獲取信息的能力,通過(guò)幾個(gè)設計流程來(lái)回的訓練,形成自我促進(jìn)、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過(guò)程中,隨著(zhù)對工作涉及的知識的廣度和深度的認識逐步清晰,新員工的自信心也會(huì )逐步增強,對個(gè)人的發(fā)展方向也會(huì )逐步明確,才能積極主動(dòng)地參與到工程項目中來(lái)。
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