FPGA的用處比我們平時(shí)想象的用處更廣泛,原因在于其中集成的模塊種類更多,而不僅僅是原來(lái)的簡(jiǎn)單邏輯單元(LE)。
現(xiàn)在的FPGA不僅包含以前的LE,RAM也更大更快更靈活,管教IOB也更加的復(fù)雜,支持的IO類型也更多,而且內(nèi)部還集成了一些特殊功能單元,包括:
DSP:實(shí)際上就是乘加器,F(xiàn)PGA內(nèi)部可以集成多個(gè)乘加器,而一般的DSP芯片往往每個(gè)core只有一個(gè)。換言之,F(xiàn)PGA可以更容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)DSP core功能。在某些需要大量乘加計(jì)算的場(chǎng)合,往往多個(gè)乘加器并行工作的速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)高速乘加器。
SERDES:高速串行接口。將來(lái)PCI-E、XAUI、HT、S-ATA等高速串行接口會(huì)越來(lái)越多。有了SERDES模塊,F(xiàn)PGA可以很容易將這些高速串行接口集成進(jìn)來(lái),無(wú)需再購(gòu)買專門的接口芯片。
CPU core:分為2種,軟core和硬core.軟core是用邏輯代碼寫的CPU模塊,可以在任何資源足夠的FPGA中實(shí)現(xiàn),使用非常靈活。而且在大容量的FPGA中還可以集成多個(gè)軟core,實(shí)現(xiàn)多核并行處理。硬core是在特定的FPGA內(nèi)部做好的CPU core,優(yōu)點(diǎn)是速度快、性能好,缺點(diǎn)是不夠靈活。
不過(guò),F(xiàn)PGA還是有缺點(diǎn)。對(duì)于某些高主頻的應(yīng)用,F(xiàn)PGA就無(wú)能為力了?,F(xiàn)在雖然理論上FPGA可以支持的500MHz,但在實(shí)際設(shè)計(jì)中,往往200MHz以上工作頻率就很難實(shí)現(xiàn)了。
FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一:時(shí)鐘樹(shù)
對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō),要盡可能避免異步設(shè)計(jì),盡可能采用同步設(shè)計(jì)。
同步設(shè)計(jì)的第一個(gè)關(guān)鍵,也是關(guān)鍵中的關(guān)鍵,就是時(shí)鐘樹(shù)。
一個(gè)糟糕的時(shí)鐘樹(shù),對(duì)FPGA設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),是一場(chǎng)無(wú)法彌補(bǔ)的災(zāi)難,是一個(gè)沒(méi)有打好地基的大樓,崩潰是必然的。
具體一些的設(shè)計(jì)細(xì)則:
1.盡可能采用單一時(shí)鐘;
2.如果有多個(gè)時(shí)鐘域,一定要仔細(xì)劃分,千萬(wàn)小心;
3.跨時(shí)鐘域的信號(hào)一定要做同步處理。對(duì)于控制信號(hào),可以采用雙采樣;對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào),可以采用異步fifo.需要注意的是,異步fifo不是萬(wàn)能的,一個(gè)異步fifo也只能解決一定范圍內(nèi)的頻差問(wèn)題。
4.盡可能將FPGA內(nèi)部的PLL、DLL利用起來(lái),這會(huì)給你的設(shè)計(jì)帶來(lái)大量的好處。
5.對(duì)于特殊的IO接口,需要仔細(xì)計(jì)算Tsu、Tco、Th,并利用PLL、DLL、DDIO、管腳可設(shè)置的delay等多種工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單對(duì)管腳進(jìn)行Tsu、Tco、Th的約束往往是不行的。
可能說(shuō)的不是很確切。這里的時(shí)鐘樹(shù)實(shí)際上泛指時(shí)鐘方案,主要是時(shí)鐘域和PLL等的規(guī)劃,一般情況下不牽扯到走線時(shí)延的詳細(xì)計(jì)算(一般都走全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和局部時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò),時(shí)延固定),和ASIC中的時(shí)鐘樹(shù)不一樣。
對(duì)于ASIC,就必須對(duì)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、布線、時(shí)延計(jì)算進(jìn)行仔細(xì)的分析計(jì)算才行。
FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之二:FSM
FSM:有限狀態(tài)機(jī)。這個(gè)可以說(shuō)時(shí)邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。幾乎稍微大一點(diǎn)的邏輯設(shè)計(jì),幾乎都能看得到FSM。
FSM分為moore型和merly型,moore型的狀態(tài)遷移和變量無(wú)關(guān),merly型則有關(guān)。實(shí)際使用中大部分都采用merly型。
FSM通常有2種寫法:?jiǎn)芜M(jìn)程、雙進(jìn)程。
初學(xué)者往往喜歡單進(jìn)程寫法,格式如下:
簡(jiǎn)單的說(shuō),單進(jìn)程FSM就是把所有的同步、異步處理都放入一個(gè)always中。
優(yōu)點(diǎn):
1.看起來(lái)比較簡(jiǎn)單明了,寫起來(lái)也不用在每個(gè)case分支或者if分支中寫全對(duì)各個(gè)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的處理。也可以簡(jiǎn)單在其中加入一些計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。
2.所有的輸出信號(hào)都已經(jīng)是經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器鎖存了。
缺點(diǎn):
1.優(yōu)化效果不佳。由于同步、異步放在一起,編譯器一般對(duì)異步邏輯的優(yōu)化效果最好。單進(jìn)程FSM把同步、異步混雜在一起的結(jié)果就是導(dǎo)致編譯器優(yōu)化效果差,往往導(dǎo)致邏輯速度慢、資源消耗多。
2.某些時(shí)候需要更快的信號(hào)輸出,不必經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器鎖存,這時(shí)單進(jìn)程FSM的處理就比較麻煩了。
雙進(jìn)程FSM,格式如下:
從上面可以看到,同步處理和異步處理分別放到2個(gè)always中。其中FSM狀態(tài)變量也采用2個(gè)來(lái)進(jìn)行控制。雙進(jìn)程FSM的原理這里就不多說(shuō)了,在很多邏輯設(shè)計(jì)書(shū)中都有介紹。
優(yōu)點(diǎn):
1.編譯器優(yōu)化效果明顯,可以得到很理想的速度和資源占用率。
2.所有的輸出信號(hào)(除了FSM_status_current)都是組合輸出的,比單進(jìn)程FSM快。
缺點(diǎn):
1.所有的輸出信號(hào)(除了FSM_status_current)都是組合輸出的,在某些場(chǎng)合需要額外寫代碼來(lái)進(jìn)行鎖存。
2.在異步處理的always中,所有的if、case分支必須把所有的輸出信號(hào)都賦值,而且不能出現(xiàn)在FSM中的輸出信號(hào)回送賦值給本FSM中的其他信號(hào)的情況,否則會(huì)出現(xiàn) latch.
latch會(huì)導(dǎo)致如下問(wèn)題:
1.功能仿真結(jié)果和后仿不符;
2.出現(xiàn)無(wú)法測(cè)試的邏輯;
3.邏輯工作不穩(wěn)定,特別是latch部分對(duì)毛刺異常敏感;
4.某些及其特殊的情況下,如果出現(xiàn)正反饋,可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。
這不是恐嚇也不是開(kāi)玩笑,我就親眼見(jiàn)過(guò)一個(gè)小伙把他做的邏輯加載上去后,整個(gè)FPGA給炸飛了。后來(lái)懷疑可能是出現(xiàn)正反饋導(dǎo)致高頻振蕩,最后導(dǎo)致芯片過(guò)熱炸掉(這個(gè)FPGA芯片沒(méi)有安裝散熱片)。
FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之三:latch
首先回答一下:
stateCAD沒(méi)有用過(guò),不過(guò)我感覺(jué)用這個(gè)東東在構(gòu)建大的系統(tǒng)的時(shí)候似乎不是很方便。也許用systemC或者system Verilog更好一些。另外同步、異步的叫法是我所在公司的習(xí)慣叫法,不太對(duì),不過(guò)已經(jīng)用習(xí)慣了。
這次講一下latch,latch的危害已經(jīng)說(shuō)過(guò)了,這里不再多說(shuō),關(guān)鍵講一下如何避免。
1.在組合邏輯進(jìn)程中,if語(yǔ)句一定要有else!并且所有的信號(hào)都要在if的所有分支中被賦值。
另外需要注意,下面也會(huì)產(chǎn)生latch.也就是說(shuō)在組合邏輯進(jìn)程中不能出現(xiàn)自己賦值給自己或者間接出現(xiàn)自己賦值給自己的情況。
但如果是時(shí)序邏輯進(jìn)程,則不存在該問(wèn)題。
2.case語(yǔ)句的default一定不能少!
原因和if語(yǔ)句相同,這里不再多說(shuō)了。需要提醒的是,在時(shí)序邏輯進(jìn)程中,default語(yǔ)句也一定要加上,這是一個(gè)很好的習(xí)慣。
3.組合邏輯進(jìn)程敏感變量不能少也不能多。
這個(gè)問(wèn)題倒不是太大,verilog2001語(yǔ)法中可以直接用 * 搞定了。
順便提一句,latch有弊就一定有利。在FPGA的LE中,總存在一個(gè)latch和一個(gè)D觸發(fā)器,在支持DDR的IOE(IOB)中也存在著一個(gè)latch來(lái)實(shí)現(xiàn)DDIO。不過(guò)在我們平時(shí)的設(shè)計(jì)中,對(duì)latch還是要盡可能的敬而遠(yuǎn)之。
FPGA設(shè)計(jì)要點(diǎn)之四:邏輯仿真
仿真是FPGA設(shè)計(jì)中必不可少的一步。沒(méi)有仿真,就沒(méi)有一切。仿真是一個(gè)單調(diào)而繁瑣的工作,很容易讓人產(chǎn)生放棄或者偷工減料的念頭。這時(shí)一定要挺住!
仿真分為單元仿真、集成仿真、系統(tǒng)仿真。
單元仿真:針對(duì)每一個(gè)最小基本模塊的仿真。單元仿真要求代碼行覆蓋率、條件分支覆蓋率、表達(dá)式覆蓋率必須達(dá)到100%!這三種覆蓋率都可以通過(guò)MODELSIM來(lái)查看,不過(guò)需要在編譯該模塊時(shí)要在Compile option中設(shè)置好。
集成仿真:將多個(gè)大模塊合在一起進(jìn)行仿真。覆蓋率要求盡量高。
系統(tǒng)仿真:將整個(gè)硬件系統(tǒng)合在一起進(jìn)行仿真。此時(shí)整個(gè)仿真平臺(tái)包含了邏輯周邊芯片接口的仿真模型,以及BFM、Testbench等。系統(tǒng)仿真需要根據(jù)被仿真邏輯的功能、性能需求仔細(xì)設(shè)計(jì)仿真測(cè)試?yán)头抡鏈y(cè)試平臺(tái)。系統(tǒng)仿真是邏輯設(shè)計(jì)的一個(gè)大分支,是一門需要專門學(xué)習(xí)的學(xué)科。