FPGA总结——杂谈

数字设计

　　 

一、关于组合逻辑

　　竞争冒险：一个逻辑门的多个输入信号同时跳变（路径时延不同，使得状态改变的时刻有先有后）。这种现象叫做竞争，引起的结果称为冒险。

　　消除毛刺（冒险）：（1）增加冗余项；（2）加滤波电容；（3）加选通信号；

　　　　注：在平常实践中，可以使用如下小细节：（1）输出加D触发器；（2）使用格雷码；

　　

　　　注意理解组合逻辑与时序逻辑的差别。

二、关于时序逻辑

1. 时钟基础

　　1.1 常见时钟类型

　　　　（1）全局时钟；

　　　　（2）内部逻辑时钟，即组合逻辑和计数器分频产生的时钟。对于前者，一般禁止使用，对于后者，也应尽量少使用（用PLL、DLL、DCM替代）；

　　　　（3）门控时钟；（一般在组合逻辑中使用，且驱动门控时钟的逻辑都是只包含一个与门/或门，尽量避免使用，除非要求被使用以降低系统功耗）

　　　　　　　　推荐的门控时钟电路：　　

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　（拓展）使能时钟：主要是用于时序逻辑中，比门控时钟要来的稳定。

　　1.2 时钟抖动

　　　　芯片的某一个给定点上时钟周期发生暂时性变化，也就是说时钟周期在不同的周期上可能加长或缩短。它是一个平均值为0的平均变量。

　　1.3 Xilinx中与全局时钟资源和 DLL相关的硬件原语

　　　　IBUFG,IBUFGDS,BUFG,BUFGP,BUFGCE,BUFGMUX,BUFGDLL,DCM等。

　　1.4 同步电路设计

　　　　概念：所有电路均在同一时钟的上升沿或者下降沿触发下同步地工作。（多时钟应被视为同步电路概念的延伸，这个时候应尽量做到局部同步）

　　　　设计准则：

　　　　　　（1）尽可能使用统一时钟，并走全局时钟网络；

　　　　　　（2）避免使用混合时钟沿采样数据（即同时使用上升沿和下降沿）；

　　　　　　（3）尽量少使用分频器产生的时钟；

　　　　　　（4）避免使用门控时钟；

　　　　　　（5）当需要多个时钟时，尽量使局部同步（分成多个模块，每个模块一个时钟）；

　　　　个人总结：

　　　　　同步逻辑和异步逻辑的概念应该都属于同步电路的范畴，它们都是由时钟来控制电路状态的跳变，只不过前者是有统一的时钟或时钟之间有固定的因果关系，后者则相反。

　　　　　同步电路和异步电路的区别是：同步电路利用时钟脉冲使其子系统同步工作，而异步电路不依赖时钟，其逻辑输出和任何时钟信号都没关系，主要是组合逻辑电路。

　　1.5 FPGA设计中如何实现同步时序电路的延时

　　　　小延时：寄存器打一拍或几拍；

　　　　大延时：利用高速时钟产生计数器，用计数器控制延时；

2. 寄存器（reg）基础

　　（1）reg、wire。

　　　　

　　（2）基础寄存器

　　　　　　

　　（3）带异步复位的寄存器

　　　　　　

　　（4）带异步置位的寄存器

　　　　　　

　　（5）既带异步复位又带异步置位的寄存器

　　　　　　

　　　　　注：这种情况下，当可能出现set和clr同时有效时，可通过if……else语句设置优先级（比如使异步复位的优先级较高），综合出的电路为：

　　　　　　

　　（6）带同步使能的寄存器

　　　　　　

3.建立、保持时间及亚稳态

　　3.1 建立、保持时间

　　3.2 亚稳态的产生

　　　如果触发器不满足建立时间和保持时间，则会进入亚稳态，即：触发器无法在某个规定的时间段内到达一个可以确认的状态。

　　3.3 如何消除

　　　只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，亚稳态主要发生在异步信号检测、跨时钟域信号传输以及复位电路等常用设计中。针对这几种应用情况，改善方法如下：

　　　3.3.1 降低系统工作时钟

　　　3.3.2 用反应更快的触发器

　　　3.3.3 引入同步机制　　

　　　　（1）对异步信号进行同步处理（加两级寄存器，即“一位同步器”）；

　　　　

　　　　（2）采用FIFO对跨时钟域数据通信进行缓冲设计；

　　　　（3）对复位电路采用异步复位、同步释放方式处理。

　　　3.3.4 改善时钟质量，用边沿变化快速的时钟信号

三、FPGA构造

1. 整体构造

　　可配置逻辑块（查找表+触发器） + 内部连接线 + 输入输出单元。（当然，现在的FPGA都比较复杂，芯片上通常还包含其他丰富的资源）

　　　　　　

　　复杂FPGA：

　　　　

2.查找表构造和原理

　　查找表（look-up-table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有 4位地址线的16x1的RAM。

　　当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

3.存储资源

3.1 FPGA中有哪两种存储器资源

　　一种叫BLOCK RAM,另一种是由LUT配置成的内部存储器（也就是分布式RAM）。

　　注意：BLOCK RAM由一定数量固定大小的存储块构成的，使用BLOCK RAM资源不占用额外的逻辑资源，并且速度快。但是使用的时候消耗的BLOCK RAM资源是其块大小的整数倍。

3.2 FPGA中可以综合实现为RAM/ROM/CAM的三种资源

　　BLOCK RAM ，触发器（FF），查找表（LUT）。

四、RTL设计思想及需要注意的问题

1. 基本描述方式

　（1）数据流描述：assign语句，连续赋值语句

　（2）行为级描述：always、initial语句，过程赋值语句

　（3）结构化描述：实例化功能模块

2. 阻塞和非阻塞赋值

3. 代码的可综合性

　  行为级描述可基于不同的层次，如系统级、算法级、寄存器传输级（RTL级）、门级、开关级。目前的EDA工具只能综合RTL级以下的描述方式。

4. 能提升系统性能的代码风格

　（1）流水线技术；（用寄存器分割较大的组合逻辑，提高设计频率）

　（2）资源共享；（节省面积）

　（3）逻辑复制；（用面积来换取时序性能的改善）

　（4）改善关键路径的逻辑等级；

　（5）消除组合逻辑的毛刺；

5. 状态机

　　5.1 分类——Moore型和Mealy型

　　　　Moore状态机：当前输出只与当前状态有关；（a）

　　　　Mealy状态机：当前输出与当前状态以及当前输入有关；（b）

　　　　

　　5.2 写法

　　　推荐使用两段式（2个always块）或者三段式（3个always块）写法。

　　　　（1）两段式

　　　　

　　　　　（2）三段式

　　　　　　　

　　总体来说，三段式是最优的状态机书写方式：　　　　

//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器

always @ (posedge clk or negedge rst_n)   //异步复位

if(!rst_n)

    current_state <= IDLE;

else

    current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值

//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断

always @ (current_state)    //电平触发

   begin

     next_state = x;   //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态

     case(current_state)

     S1: if(...)

        next_state = S2;   //阻塞赋值

     ...

     endcase

end

//第三个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器输出

always @ (posedge clk or negedge rst_n)

...//初始化

case(next_state)

S1:

    out1 <= 'b1;   //注意是非阻塞逻辑

S2:

    out2 <= 'b1;

default:...    //default的作用是免除综合工具综合出锁存器。

endcase

end

//三段式并不是一定要写为3个always块，如果状态机更复杂，就不止3段了。

但是需要注意：

（1）第三段使用next_state和current_state的区别在于，当状态跳转时，基于next_state的输出是立刻变化的，而基于current_state输出会延迟一个周期，其他情况都一样，应该根据自己的时序要求，选择用next_state还是current_state。

（2）两段式在组合逻辑特别复杂时适用，但要注意需在后面加一个触发器以消除组合逻辑对输出产生的毛刺。三段式没有这个问题，由于第三个always会生成触发器。

（3）第二个always块中，组合逻辑电平要维持超过一个clock。

6. 需注意的问题

（1）在always或这initial块中被赋值的一定是reg型，在assign中被赋值的一定是wire型；

　（2）一个变量不能在多个always块中被赋值；

　（3）所有块和实例化模块都是并发执行的；

　（4）时序逻辑使用非阻塞赋值（<=），组合逻辑使用阻塞赋值（=），且同一个块中不能混用。always块电平敏感时使用阻塞赋值；

　（5）严禁组合逻辑出现反馈环路；

　（6）if……else和case语句要完备，并设置default，防止产生latch；

　（7）存储器的定义 reg [3:0] mem [0:7] ，位宽为4，地址0~7；

　（8）状态机编码最好使用one-hot码，一个完备的状态机应该有初始状态和默认状态。