FPGA中的面积优化

FPGA中的面积优化

一、优化的意义

面积优化，就是在实现预定功能的情况下，使用更小的面积。通过优化，可以使设计能够运行在资源较少的平台上，节约成本，也可以为其他设计提供面积资源。

二、操作符平衡

对于复杂逻辑操作，输入到输出的对称性越好，往往中间逻辑就越少，面积越小。一般优化中，可以将不关注中间信号的设计的逻辑优化掉，实现对称结构。

三、打破设计流水

流水设计可以提高时序余量，同样需要消耗面积资源。去除这些缓存器，降低设计的频率，即可实现面积的优化。

四、资源共享

（1）互斥操作的共享

对于不会同时出现的操作，其共用单元可以共享，方法有很多，简单的就是使用控制信号切换模块的工作模式。

（2）表达式共享

将可以写成一样结构的表达式用括号连接起来。

（3）逻辑功能模块共享

某些逻辑功能相同的模块，可以进行共享，但是控制逻辑可能会复杂一些。

五、复位对设计面积的影响

能不用复位最好不用，优先使用异步复位，其次使用同步复位。三者的资源消耗依次增加。

六、器件角度的面积节约

（1）使用原语设计

可以直接调用数字电路的结构，降低面积的使用率。

（2）使用触发器控制端口

某些复位信号可以作为输入来实现某些功能。

（3）多路选择器优化

每个LAB自带的信号有：时钟、时钟使能、异步清零、异步加载、同步清零、同步加载。

1️⃣时钟和时钟使能

时钟用于驱动LAB中的寄存器，时钟使能则是驱动数据。但是一般不要使用这些低扇出的信号，对LAB的使用率产生消极的影响。

2️⃣异步加载和异步清零

异步清零可以使用全局或者普通布线资源，二异步加载只能使用普通布线资源。两者同样控制LAB内部的寄存器。

3️⃣同步清零和加载

在LAB中，同步信号一般全局使用。

了解了LAB常用的信号，然后看一下多路选择器的实现：

①二进制多路选择器（case）：二进制编码的选择器

②多路复用选择器（case 状态机 IF）：采用独热编码的选择器

③带优先级多路选择器（IF）：由比较器组成的选择器。

上面三种结构中，资源消耗依次增加。

如果想进一步缩小资源消耗，则可以使用LAB的全局资源实现选择。

七、小结

想要节约面积，就必须尽可能地利用资源。从简单的从大到小的顺序调整，到人为的共享，再到结构的改变，还有硬件结构资源的利用，都是在不断地提高资源使用频率。对于某些设计的资源紧张时，可以考虑这些方法进行设计简化。