FPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化及方案改進(jìn)

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，必須首先明確HDL源代碼編寫非常重要;不同綜合工具包含的綜合子集不同致使有些HDL語句在某些綜合工具中不能綜合;同一邏輯功能可用不同HDL語句進(jìn)行描述，但占用資源卻可能差別很大。同時(shí)應(yīng)當(dāng)深刻理解并發(fā)性是硬件描述語言與普通高級語言的根本區(qū)別，因而設(shè)計(jì)硬件電路不能受傳統(tǒng)順序執(zhí)行思維的束縛。

　　此外，我們應(yīng)當(dāng)清楚速度優(yōu)化與面積優(yōu)化在FPGA設(shè)計(jì)中占有重要地位。對于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，速度常常是第一要求，但FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合工具性能、系統(tǒng)電路構(gòu)成、PCB制版情況及HDL代碼表述都會對工作速度產(chǎn)生重要影響。我們通過在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用設(shè)計(jì)、寄存器配平、關(guān)鍵路徑法可以進(jìn)行速度優(yōu)化。

　　(1)流水線設(shè)計(jì)

　　流水線(Pipelining)技術(shù)在速度優(yōu)化中相當(dāng)流行，它能顯著提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度上限，在現(xiàn)代微、數(shù)字信號處理器、MCU、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都離不開流水線技術(shù)。圖4與圖5是流水線設(shè)計(jì)的典型圖示，其中圖4未使用流水線設(shè)計(jì)，圖5采用了2級流水線設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中將延時(shí)較大的組合邏輯塊切割成兩塊延時(shí)大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個(gè)邏輯塊中插入了觸發(fā)器，即滿足以下關(guān)系式：Ta=T1+T2，T1≈T2。通過分析可知，圖4中Fmax≈1/Ta;圖5中流水線第1級最高工作頻率Fmax1≈1/T1，流水線第2級最高工作頻率Fmax2≈1/T2≈1/T1，總設(shè)計(jì)最高頻率為Fmax≈Fmax1≈Fmax2≈1/T1，因此圖5設(shè)計(jì)速度較圖4提升了近一倍。

　　(2)寄存器配平(Register Balancing)

　　寄存器配平是通過配平寄存器之間的組合延時(shí)邏輯塊來實(shí)現(xiàn)速度優(yōu)化，兩個(gè)組合邏輯塊延時(shí)差別過大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)總體工作頻率Fmax取決于T1，即最大的延時(shí)模塊，從而使設(shè)計(jì)整體性能受限。通過對圖7設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將延時(shí)較大的組合邏輯1的部分邏輯轉(zhuǎn)移到組合邏輯2中，成為圖8結(jié)構(gòu)，以減小延時(shí)T1，使t1≈t2，且滿足T1+T2=t1+t2。寄存器配平后的圖8結(jié)構(gòu)中Fmax≈1/t1>1/T1，從而提高了設(shè)計(jì)速度。

　　(3)關(guān)鍵路徑法

　　關(guān)鍵路徑是指設(shè)計(jì)中從輸入到輸出經(jīng)過的延時(shí)最長的邏輯路徑，優(yōu)化關(guān)鍵路徑是提高設(shè)計(jì)工作速度的有效方法。圖9中Td1>Td2，Td1>Td3，關(guān)鍵路徑為延時(shí)Td1的模塊，由于從輸入到輸出的延時(shí)取決于延時(shí)最長路徑，而與其他延時(shí)較小的路徑無關(guān)，因此減少Td1則能改善輸入到輸出的總延時(shí)。

　　在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵路徑法可反復(fù)使用，直到不可能減少關(guān)鍵路徑延時(shí)為止。許多EDA開發(fā)工具都提供時(shí)序分析器可以幫助找到延時(shí)最長的關(guān)鍵路徑，以便設(shè)計(jì)者改進(jìn)設(shè)計(jì)。對于結(jié)構(gòu)固定的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵路徑法是進(jìn)行速度優(yōu)化的首選方法，可與其他方法配合使用。

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，面積優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是資源利用優(yōu)化，面積優(yōu)化有多種實(shí)現(xiàn)方法，諸如資源共享、邏輯優(yōu)化、串行化，其中資源共享使用較多，下面舉例說明。

　　在利用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常遇到同一模塊需要反復(fù)被調(diào)用，例如多位乘法器、快速進(jìn)位加法器等算術(shù)模塊，它們占用芯片資源很多，使系統(tǒng)成本及器件功耗大幅上升，因而使用資源共享技術(shù)能夠顯著優(yōu)化資源。圖10和圖11是資源共享的一個(gè)典型實(shí)例，由圖可見使用資源共享技術(shù)節(jié)省了一個(gè)多位乘法器，從而達(dá)到減少資源消耗、優(yōu)化面積的目的。

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