FPGA的一些设计方法

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简介:FPGA 是英文Field-Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1 FPGA设计中的同步设计

在FPGA的内部资源里最重要的一部分就是其时钟资源(全局时钟网络),它一般是经过FPGA的特定全局时钟管脚进入FPGA内部,后经过全局时钟BUF适配到全局时钟网络的,这样的时钟网络可以保证相同的时钟沿到达芯片内部每一个触发器的延迟时间差异是可以忽略不计的。

在FPGA中上述的全局时钟网络被称为时钟树,无论是专业的第三方工具还是器件厂商提供的布局布线器在延时参数提取、分析的时候都是依据全局时钟网络作为计算的基准的。如果一个设计没有使用时钟树提供的时钟,那么这些设计工具有的会拒绝做延时分析有的延时数据将是不可靠的。

在我们日常的设计中很多情形下会用到需要分频的情形,好多人的做法是先用高频时钟计数,然后使用计数器的某一位输出作为工作时钟进行其他的逻辑设计。其实这样的方法是不规范的。

2 FPGA设计中的延时电路的产生:

在日常的电路设计中,有时候我们需要对信号进行延时处理来适应对外接口的时序关系,最经常也是最典型的情况是做处理机的接口;因为与处理的接口时序关系是异步的,而一个规范的FPGA设计应该是尽可能采用同步设计。那么遇到这种情况该如何处理呢?

首先在FPGA中要产生延时,信号必须经过一定的物理资源。在硬件描述语言中有关键词Wait for xx ns,需要说明的是该语法是仅仅用于仿真而不能用于综合的,可综合的延时方法有:

使信号经过逻辑门得到延时(如非门);

使用器件提供的延时单元(如Altera公司的LCELL,Xilinx公司的);

注意:当使用多级非门的时候综合器往往会将其优化掉,因为综合器会认为一个信号非两次还是它。

需要说明的是在FPGA/CPLD内部结构是一种标准的宏单元,下图是Xilinx公司的Spartans II系列器件的一个标准宏单元。虽然不同的厂家的芯片宏单元的结构不同,但概括而言都是由一些组合逻辑外加一或二个触发器而构成。在实际应用中,当一个模块内的组合逻辑被使用了那么与其对应的触发器也就不能用了;同样如果触发器单元被用了那么组合逻辑单元也就废了。这就是有时候(特别是使用CPLD)虽然设计使用的资源并不多但布局布线器却报告资源不够使用的原因。

当需要对某一信号作一段延时时,初学者往往在此信号后串接一些非门或其它门电路,此方法在分离电路中是可行的。但在FPGA中,开发软件在综合设计时会将这些门当作冗余逻辑去掉,达不到延时的效果。用ALTERA公司的MaxplusII开发FPGA时,可以通过插入一些LCELL原语来产生一定的延时,但这样形成的延时在FPGA芯片中并不稳定,会随温度等外部环境的改变而改变,因此并不提倡这样做。在此,可以用高频时钟来驱动一移位寄存器,待延时信号作数据输入,按所需延时正确设置移位寄存器的级数,移位寄存器的输出即为延时后的信号。此方法产生的延时信号与原信号比有误差,误差大小由高频时钟的周期来决定。对于数据信号的延时,在输出端用数据时钟对延时后信号重新采样,就可以消除误差。

3 如何提高系统的运行速度

同步电路的速度是指同步时钟的速度。同步时钟愈快,电路处理数据的时间间隔越短,电路在单位时间处理的数据量就愈大.

假设数据已经被时钟的上升沿打入D触发器,那么数据到达第一个触发器的Q端需要Tco,再经过组合逻辑的延时Tdelay到达的第二个触发器的D端,要想时钟能在第二个触发器再次被稳定的锁入触发器,则时钟的延迟不能晚于Tco+Tdelay+Tsetup,(我们可以回顾一下前面讲过的建立和保持时间的概念,就可以理解为什么公式最后要加上一个Tdelay) 由以上分析可知:最小时钟周期:T=Tco+Tdelay+Tsetup 最快时钟频率 F= 1/T PLD开发软件也正是通过这个公式来计算系统运行速度Fmax

其实在一个设计里影响速度的瓶颈经常只会有几条,我们将延时最大的路径称作关键路径。当设计的运行速度不符合系统设计要求的时候我们可以首先找到不能满足要求的关键路径,按照上述的方法将关键路径上的组合逻辑拆分成多个中间用触发器隔开,这样很容易就可以从根本上提升系统的运行速度了。

有的设计在设计开始就知道那部分电路会产生比较大的组合逻辑,导致速度瓶颈的产生,那么就应该在开始就想好解决办法。比如现在设计需要产生一个32位的加法器,并且要求能够工作在50MHz。根据经验直接用32位加法器肯定是达不到50MHz的要求的,这时我们可以将其分成3个12位计数器来操作,后面的计数器只要将前面计数器结果的高位(进位位)相加就可以了

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