FPGA设计原则与常用思想

chuxian1320

FPGA/CPLD 的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！

乒乓操作

“ 乒乓操作 ” 是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图 1 所示。
乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过 “ 输入数据选择单元 ” 将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM) 、单口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ；在第 2 个缓冲周期，通过 “ 输入数据选择单元 ” 的切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 2” ，同时将 “ 数据缓冲模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 的选择，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理；在第 3 个缓冲周期通过 “ 输入数据选择单元 ” 的再次切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ，同时将 “ 数据缓冲模块 2” 缓存的第 2 个周期的数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 切换，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理。如此循环。
乒乓操作的最大特点是通过 “ 输入数据选择单元 ” 和 “ 输出数据选择单元 ” 按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。
乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在 WCDMA 基带应用中， 1 个帧是由 15 个时隙组成的，有时需要将 1 整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时 1 个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是 1 整帧数据长，假设数据速率是 3.84Mbps ， 1 帧长 10ms ，则此时需要缓冲区长度是 38400 位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲 1 个时隙数据的 RAM( 单口 RAM 即可 ) 。当向一块 RAM 写数据的时候，从另一块 RAM 读数据，然后送到处理单元处理，此时每块 RAM 的容量仅需 2560 位即可， 2 块 RAM 加起来也只有 5120 位的容量。

另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。如图 2 所示，数据缓冲模块采用了双口 RAM ，并在 DPRAM 后引入了一级数据预处理模块，这个数据预处理可以根据需要的各种数据运算，比如在 WCDMA 设计中，对输入数据流的解扩、解扰、去旋转等。假设端口 A 的输入数据流的速率为 100Mbps ，乒乓操作的缓冲周期是 10ms 。以下分析各个节点端口的数据速率。
A 端口处输入数据流速率为 100Mbps ，在第 1 个缓冲周期 10ms 内，通过 “ 输入数据选择单元 ” ，从 B1 到达 DPRAM1 。 B1 的数据速率也是 100Mbps ， DPRAM1 要在 10ms 内写入 1Mb 数据。同理，在第 2 个 10ms ，数据流被切换到 DPRAM2 ，端口 B2 的数据速率也是 100Mbps ， DPRAM2 在第 2 个 10ms 被写入 1Mb 数据。在第 3 个 10ms ，数据流又切换到 DPRAM1 ， DPRAM1 被写入 1Mb 数据。
仔细分析就会发现到第 3 个缓冲周期时，留给 DPRAM1 读取数据并送到 “ 数据预处理模块 1” 的时间一共是 20ms 。有的工程师困惑于 DPRAM1 的读数时间为什么是 20ms ，这个时间是这样得来的：首先，在在第 2 个缓冲周期向 DPRAM2 写数据的 10ms 内， DPRAM1 可以进行读操作；另外，在第 1 个缓冲周期的第 5ms 起 ( 绝对时间为 5ms 时刻 ) ， DPRAM1 就可以一边向 500K 以后的地址写数据，一边从地址 0 读数，到达 10ms 时， DPRAM1 刚好写完了 1Mb 数据，并且读了 500K 数据，这个缓冲时间内 DPRAM1 读了 5ms ；在第 3 个缓冲周期的第 5ms 起 ( 绝对时间为 35ms 时刻 ) ，同理可以一边向 500K 以后的地址写数据一边从地址 0 读数，又读取了 5 个 ms ，所以截止 DPRAM1 第一个周期存入的数据被完全覆盖以前， DPRAM1 最多可以读取 20ms 时间，而所需读取的数据为 1Mb ，所以端口 C1 的数据速率为： 1Mb/20ms=50Mbps 。因此， “ 数据预处理模块 1” 的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps 。同理， “ 数据预处理模块 2” 的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps 。换言之，通过乒乓操作， “ 数据预处理模块 ” 的时序压力减轻了，所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的 1/2 。
通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过 DPRAM 这种缓存单元实现了数据流的串并转换，并行用“数据预处理模块1“和“数据预处理模块2＂处理分流的数据，是面积与速度互换原则的体现！                                                                                                                                                                           
串并转换设计技巧

串并转换是 FPGA 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、 RAM 等实现。前面在乒乓操作的图例中，就是通过 DPRAM 实现了数据流的串并转换，而且由于使用了 DPRAM ，数据的缓冲区可以开得很大，对于数量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现：
prl_temp<={prl_temp,srl_in};
其中， prl_temp 是并行输出缓存寄存器， srl_in 是串行数据输入。对于排列顺序有规定的串并转换，可以用 case 语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法比较简单，在此不必赘述。

流水线操作设计思想

首先需要声明的是，这里所讲述的流水线是指一种处理流程和顺序操作的设计思想，并非 FPGA 、 ASIC 设计中优化时序所用的 “Pipelining” 。
流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是 “ 单流向 ” 的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工作频率。

流水线设计的结构示意图如图 3 所示。其基本结构为：将适当划分的 n 个操作步骤单流向串联起来。流水线操作的最大特点和要求是，数据流在各个步骤的处理从时间上看是连续的，如果将每个操作步骤简化假设为通过一个 D 触发器 ( 就是用寄存器打一个节拍 ) ，那么流水线操作就类似一个移位寄存器组，数据流依次流经 D 触发器，完成每个步骤的操作。流水线设计时序如图 4 所示。


流水线设计的一个关键在于整个设计时序的合理安排，要求每个操作步骤的划分合理。如果前级操作时间恰好等于后级的操作时间，设计最为简单，前级的输出直接汇入后级的输入即可；如果前级操作时间大于后级的操作时间，则需要对前级的输出数据适当缓存才能汇入到后级输入端；如果前级操作时间恰好小于后级的操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流，或者在前级对数据采用存储、后处理方式，否则会造成后级数据溢出。
在 WCDMA 设计中经常使用到流水线处理的方法，如 RAKE 接收机、搜索器、前导捕获等。流水线处理方式之所以频率较高，是因为复制了处理模块，它是面积换取速度思想的又一种具体体现。                                                                                                                                                      

数据接口的同步方法

数据接口的同步是 FPGA/CPLD 设计的一个常见问题，也是一个重点和难点，很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。

在电路图设计阶段，一些工程师手工加入 BUFT 或者非门调整数据延迟，从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。还有一些工程师为了有稳定的采样，生成了很多相差 90 度的时钟信号，时而用正沿打一下数据，时而用负沿打一下数据，用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取，因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上，采样实现必须从新设计。而且，这两种做法造成电路实现的余量不够，一旦外界条件变换 ( 比如温度升高 ) ，采样时序就有可能完全紊乱，造成电路瘫痪。

下面简单介绍几种不同情况下数据接口的同步方法：

1. 输入、输出的延时 ( 芯片间、 PCB 布线、一些驱动接口元件的延时等 ) 不可测，或者有可能变动的条件下，如何完成数据同步？

对于数据的延迟不可测或变动，就需要建立同步机制，可以用一个同步使能或同步指示信号。另外，使数据通过 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以达到数据同步目的。

把数据存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下：将上级芯片提供的数据随路时钟作为写信号，将数据写入 RAM 或者 FIFO ，然后使用本级的采样时钟 ( 一般是数据处理的主时钟 ) 将数据读出来即可。这种做法的关键是数据写入 RAM 或者 FIFO 要可靠，如果使用同步 RAM 或者 FIFO ，就要求应该有一个与数据相对延迟关系固定的随路指示信号，这个信号可以是数据的有效指示，也可以是上级模块将数据打出来的时钟。对于慢速数据，也可以采样异步 RAM 或者 FIFO ，但是不推荐这种做法。

数据是有固定格式安排的，很多重要信息在数据的起始位置，这种情况在通信系统中非常普遍。通讯系统中，很多数据是按照 “ 帧 ” 组织的。而由于整个系统对时钟要求很高，常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生与驱动。而数据又是有起始位置的，如何完成数据的同步，并发现数据的 “ 头 ” 呢？

数据的同步方法完全可以采用上面的方法，采用同步指示信号，或者使用 RAM 、 FIFO 缓存一下。找到数据头的方法有两种，第一种很简单，随路传输一个数据起始位置的指示信号即可，对于有些系统，特别是异步系统，则常常在数据中插入一段同步码 ( 比如训练序列 ) ，接收端通过状态机检测到同步码后就能发现数据的 “ 头 ” 了，这种做法叫做 “ 盲检测 ” 。

上级数据和本级时钟是异步的，也就是说上级芯片或模块和本级芯片或模块的时钟是异步时钟域的。

前面在输入数据同步化中已经简单介绍了一个原则：如果输入数据的节拍和本级芯片的处理时钟同频，可以直接用本级芯片的主时钟对输入数据寄存器采样，完成输入数据的同步化；如果输入数据和本级芯片的处理时钟是异步的，特别是频率不匹配的时候，则只有用处理时钟对输入数据做两次寄存器采样，才能完成输入数据的同步化。需要说明的是，用寄存器对异步时钟域的数据进行两次采样，其作用是有效防止亚稳态 ( 数据状态不稳定 ) 的传播，使后级电路处理的数据都是有效电平。但是这种做法并不能保证两级寄存器采样后的数据是正确的电平，这种方式处理一般都会产生一定数量的错误电平数据。所以仅仅适用于对少量错误不敏感的功能单元。

为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，一般使用 RAM 、 FIFO 缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。最常用的缓存单元是 DPRAM ，在输入端口使用上级时钟写数据，在输出端口使用本级时钟读数据，这样就非常方便的完成了异步时钟域之间的数据交换。

2. 设计数据接口同步是否需要添加约束？

建议最好添加适当的约束，特别是对于高速设计，一定要对周期、建立、保持时间等添加相应的约束。

这里附加约束的作用有两点：

a. 提高设计的工作频率，满足接口数据同步要求。通过附加周期、建立时间、保持时间等约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线，以减小逻辑和布线延时，从而提高工作频率，满足接口数据同步要求。

b. 获得正确的时序分析报告。几乎所有的 FPGA 设计平台都包含静态时序分析工具，利用这类工具可以获得映射或布局布线后的时序分析报告，从而对设计的性能做出评估。静态时序分析工具以约束作为判断时序是否满足设计要求的标准，因此要求设计者正确输入约束，以便静态时序分析工具输出正确的时序分析报告。

Xilinx 和数据接口相关的常用约束有 Period 、 OFFSET_IN_BEFORE 、 OFFSET_IN_AFTER 、 OFFSET_OUT_BEFORE 和 OFFSET_OUT_AFTER 等； Altera 与数据接口相关的常用约束有 Period 、 tsu 、 tH 、 tco 等。