|
作者：friends 從大學(xué)時代第一次接觸FPGA至今已有10多年的時間。至今記得當(dāng)初第一次在EDA實(shí)驗(yàn)平臺上完成數(shù)字秒表，搶答器，密碼鎖等實(shí)驗(yàn)時，那個興奮勁。當(dāng)時由于沒有接觸到HDL硬件描述語言，設(shè)計(jì)都是在MAX+plus II原理圖環(huán)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(xù)續(xù)也用過Quartus II，F(xiàn)oundation，ISE，Libero，并且學(xué)習(xí)了verilogHDL語言，學(xué)習(xí)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(fù)雜的原理圖設(shè)計(jì)，而且語言的移植性可操作性比原理圖設(shè)計(jì)強(qiáng)很多。 在學(xué)習(xí)一門技術(shù)之前我們往往從它的編程語言入手，比如學(xué)習(xí)單片機(jī)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(fā)人員，往往是從VHDL或者Verilog開始入手學(xué)習(xí)的。但我個人認(rèn)為，若能先結(jié)合《數(shù)字電路基礎(chǔ)》系統(tǒng)學(xué)習(xí)各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對于學(xué)習(xí)HDL語言大有裨益，往往會起到事半功倍的效果。 當(dāng)然，任何編程語言的學(xué)習(xí)都不是一朝一夕的事，經(jīng)驗(yàn)技巧的積累都是在點(diǎn)滴中完成，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)也無例外。下面就以我的切身體會，談?wù)凢PGA設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)技巧。 1)看代碼，建模型 只有在腦海中建立了一個個邏輯模型，理解FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，才能明白為什么寫Verilog和寫C整體思路是不一樣的，才能理解順序執(zhí)行語言和并行執(zhí)行語言的設(shè)計(jì)方法上的差異。在看到一段簡單程序的時候應(yīng)該想到是什么樣的功能電路。 例如： 
上面這段代碼實(shí)現(xiàn)的功能就是一個帶使能端的2選1數(shù)據(jù)選擇器，如下圖所示。
再例如：
上面這段always實(shí)現(xiàn)的是帶同步清零端的串并轉(zhuǎn)換移位寄存器，位寬為width，下圖為8位電路模型
當(dāng)你具備了一定的識代碼能力之后，你會發(fā)現(xiàn)原來Verilog不是那么的枯燥，只不過是一個個電路模型的拼搭而已。 2)組合邏輯中的if...else...與case 對于多輸入端的組合邏輯來說，如果不需要考慮優(yōu)先級應(yīng)該盡量采用case語句來描述，這樣綜合出來的電路并行度要大一些，如果采用if...else...結(jié)構(gòu)，綜合出來的電路都是串行的，增大了信號時延路徑。降低寄存器間組合路徑的延遲是提高系統(tǒng)工作頻率的主要手段，因此在完成相同功能的前提下應(yīng)該盡量使用并行結(jié)構(gòu)邏輯。
可以看出，并行模式比串行模式少了一級延時路徑，隨著輸入端的增多，串行邏輯將比并行邏輯產(chǎn)生更多的延時路徑。 3)用數(shù)學(xué)思維來簡化設(shè)計(jì)邏輯 學(xué)習(xí)FPGA不僅邏輯思維很重要，好的數(shù)學(xué)思維也能讓你的設(shè)計(jì)化繁為簡，所以啊，那些看見高數(shù)就頭疼的童鞋需要重視一下這門課哦。舉個簡單的例子，比如有兩個32bit的數(shù)據(jù)X[31:0]與Y[31:0]相乘。當(dāng)然，無論Altera還是Xilinx都有現(xiàn)成的乘法器IP核可以調(diào)用，這也是最簡單的方法，但是兩個32bit的乘法器將耗費(fèi)大量的資源。那么有沒有節(jié)省資源，又不太復(fù)雜的方式來實(shí)現(xiàn)呢?我們可以稍做修改： 將X[31:0]拆成兩部分X1[15:0]和X2[15:0]，令X1[15:0]=X[31:16]，X2[15:0]=X[15:0]，則X1左移16位后與X2相加可以得到X;同樣將Y[31:0]拆成兩部分Y1[15:0]和Y2[15:0]，令Y1[15:0]=Y[31:16]，Y2[15:0]=Y[15:0]，則Y1左移16位后與Y2相加可以得到Y(jié);則X與Y的相乘可以轉(zhuǎn)化為X1和X2分別與Y1和Y2相乘，這樣一個32bit*32bit的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成了四個16bit*16bit的乘法運(yùn)算和三個32bit的加法運(yùn)算。轉(zhuǎn)換后的占用資源將會減少很多，有興趣的童鞋，不妨綜合一下看看，看看兩者差多少。 4)時鐘與觸發(fā)器的關(guān)系 “時鐘是時序電路的控制者”這句話太經(jīng)典了，可以說是FPGA設(shè)計(jì)的圣言。FPGA的設(shè)計(jì)主要是以時序電路為主，因?yàn)榻M合邏輯電路再怎么復(fù)雜也變不出太多花樣，理解起來也不沒太多困難。但是時序電路就不同了，它的所有動作都是在時鐘一拍一拍的節(jié)奏下轉(zhuǎn)變觸發(fā)，可以說時鐘就是整個電路的控制者，控制不好，電路功能就會混亂。打個比方，時鐘就相當(dāng)于人體的心臟，它每一次的跳動就是觸發(fā)一個CLK，向身體的各個器官供血，維持著機(jī)體的正常運(yùn)作，每一個器官體統(tǒng)正常工作少不了組織細(xì)胞的構(gòu)成，那么觸發(fā)器就可以比作基本單元組織細(xì)胞。時序邏輯電路的時鐘是控制時序邏輯電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的“發(fā)動機(jī)”，沒有它時序邏輯電路就不能正常工作，因?yàn)闀r序邏輯電路主要是利用觸發(fā)器存儲電路的狀態(tài)，而觸發(fā)器狀態(tài)變換需要時鐘的上升或下降沿!由此可見時鐘在時序電路中的核心作用! 5)關(guān)于IP核和乒乓操作的那點(diǎn)事 經(jīng)驗(yàn)告訴我，能使用開發(fā)工具自帶的IP核，就千萬別去自己開發(fā)。往往自己開發(fā)已有的IP核是吃力不討好。我曾經(jīng)做過一個eMMC控制器燒寫外部eMMC芯片的案子。 數(shù)據(jù)由上位機(jī)通過USB傳給MCU，然后通過數(shù)據(jù)總線發(fā)到FPGA,在FPGA內(nèi)部形成燒寫eMMC芯片的時序，燒寫外部芯片�？驁D如下：
最初的算法是通過數(shù)據(jù)總線發(fā)一個字節(jié)，再向芯片打一個字節(jié)，一個頁的512字節(jié)的CRC16需要事先用軟件計(jì)算好，但是這種方式燒寫速度太慢。后來我想到一種方案，先把512個字節(jié)傳到FPGA內(nèi)部存儲起來，并且在FPGA內(nèi)部計(jì)算好16個字節(jié)的CRC，然后用高速系統(tǒng)時鐘一次性把整頁528個字節(jié)傳給芯片，這種方式燒寫速度能提高很多。一開始我想自己設(shè)計(jì)一個帶CRC計(jì)算的RAM或者FIFO來存儲528個字節(jié)的數(shù)據(jù)，可是無論怎么設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸總是有問題，由于是一個人做，也沒人指導(dǎo)，只得放棄這種方案，改用其他。因?yàn)槲矣玫腦ilinx器件有現(xiàn)成的FIFO核可以調(diào)用，于是我就把CRC16的計(jì)算和存儲512字節(jié)數(shù)據(jù)分開設(shè)計(jì)，在最后輸出到芯片端再選通。因?yàn)闊龑慹MMC一個頁，需要有一定的等待POLLING時間，所以我想到了用兩組FIFO，乒乓操作，A通道數(shù)據(jù)發(fā)送到芯片并且等待應(yīng)答的時候，MCU端向B通道發(fā)送數(shù)據(jù)存儲，B通道數(shù)據(jù)發(fā)送到芯片并且等待應(yīng)答的時候，MCU端再向A通道發(fā)送數(shù)據(jù)存儲，這樣最大化的加速了燒寫速度，當(dāng)然最后的設(shè)計(jì)結(jié)果我也是相當(dāng)滿意的。
我想通過此例告訴大家的是，盡量用系統(tǒng)的IP核吧，省事又省心，因?yàn)檫@些都是前輩專家們設(shè)計(jì)出的經(jīng)典。還有就是利用一些設(shè)計(jì)技巧，比如乒乓操作，流水線操作可以讓你的設(shè)計(jì)性能優(yōu)化不少。 最后簡單說一下體會吧，歸結(jié)起來就多實(shí)踐、多思考、多問。實(shí)踐出真知，看100遍別人的方案不如自己去實(shí)踐一下。實(shí)踐的動力一方面來自興趣，一方面來自壓力，我個人覺得后者更重要。有需求會容易形成壓力，也就是說最好能在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中鍛煉，而不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。在實(shí)踐的過程中要多思考，多想想問題出現(xiàn)的原因，問題解決后要多問幾個為什么，這也是經(jīng)驗(yàn)積累的過程，如果有寫項(xiàng)目日志的習(xí)慣更好，把問題及原因、解決的辦法都寫進(jìn)去。最后還要多問，遇到問題思索后還得不到解決就要問了，畢竟個人的力量是有限的，問同學(xué)同事，問搜索引擎，問網(wǎng)友，都可以，一篇文章、朋友們的點(diǎn)撥都可能幫助自己快速解決問題。 |
