FPGA設計經驗技巧，用數學思維來簡化設計邏輯！資料下載

從大學時代第一次接觸FPGA至今已有10多年的時間，至今記得當初第一次在EDA實驗平臺上完成數字秒表、搶答器、密碼鎖等實驗時那個興奮勁。當時由于沒有接觸到HDL硬件描述語言，設計都是在MAX+plus II原理圖環境下用74系列邏輯器件搭建起來的。 后來讀研究生，工作陸陸續續也用過Quartus II、FoundaTIon、ISE、Libero，并且學習了verilogHDL語言，學習的過程中也慢慢體會到verilog的妙用，原來一小段語言就能完成復雜的原理圖設計，而且語言的移植性可操作性比原理圖設計強很多。 在學習一門技術之前我們往往從它的編程語言入手，比如學習單片機時，我們往往從匯編或者C語言入門。所以不少開始接觸FPGA的開發人員，往往是從VHDL或者Verilog開始入手學習的。但我個人認為，若能先結合《數字電路基礎》系統學習各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對于學習HDL語言大有裨益，往往會起到事半功倍的效果。 當然，任何編程語言的學習都不是一朝一夕的事，經驗技巧的積累都是在點滴中完成，FPGA設計也無例外。下面就以我的切身體會，談談FPGA設計的經驗技巧。 我們先談一下FPGA基本知識： 1.硬件設計基本原則 FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。 速度與面積平衡和互換原則： 一個設計如果時序余量較大，所能跑的頻率遠高于設計要求，能可以通過模塊復用來減少整個設計消耗的芯片面積，這就是用速度優勢換面積的節約; 反之，如果一個設計的時序要求很高，普通方法達不到設計頻率，那么可以通過數據流串并轉換，并行復制多個操作模塊，對整個設計采用“乒乓操作”和“串并轉換”的思想進行處理，在芯片輸出模塊處再對數據進行“并串轉換”。從而實現了用面積復制換取速度的提高。 硬件原則：理解HDL本質。 系統原則：整體把握。 同步設計原則：設計時序穩定的基本原則。 2.Verilog作為一種HDL語言，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、算法級、寄存器傳輸級、邏輯級、門級、電路開關級。 3.實際工作中，除了描述仿真測試激勵時使用for循環語句外，極少在RTL級編碼中使用for循環 這是因為for循環會被綜合器展開為所有變量情況的執行語句，每個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語句代替。 4. if…else…和case在嵌套描述時是有很大區別的 if…else…是有優先級的，一般來說，第一個if的優先級最高，最后一個else的優先級最低。而case語句是平行語句，它是沒有優先級的，而建立優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…語句。 補充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不帶優先級的“平行”語句。 5.FPGA一般觸發器資源比較豐富，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、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核等6部分組成。 CPLD的結構相對比較簡單，主要由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線池和其他輔助功能模塊組成。 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 LatTIce FPGA的LUT可以靈活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存儲結構，這種技術被稱為分布式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資源完成時鐘的分頻、倍頻率、移相等操作 不僅簡化了設計，并且能有效地提高系統的精度和工作穩定性。 9.異步電路和同步時序電路的區別 異步電路： 電路核心邏輯有用組合電路實現； 異步時序電路的最大缺點是容易產生毛刺； 不利于器件移植； 不利于靜態時序分析（STA）、驗證設計時序性能。