從大學(xué)時(shí)代第一次接觸FPGA至今已有10多年的時(shí)間。至今記得當(dāng)初第一次在EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成數(shù)字秒表，搶答器，密碼鎖等實(shí)驗(yàn)時(shí)，那個(gè)興奮勁。當(dāng)時(shí)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(huì)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。

　　工作過的朋友肯定知道，公司里是很強(qiáng)調(diào)規(guī)范的，特別是對于大的設(shè)計(jì)（無論軟件還是硬件），不按照規(guī)范走幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。邏輯設(shè)計(jì)也是這樣：如果不按規(guī)范做的話，過一個(gè)月后調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)，回頭再看自己寫的代碼，估計(jì)很多信號功能都忘了，更不要說檢錯(cuò)了；如果一個(gè)項(xiàng)目做了一半一個(gè)人走了，接班的估計(jì)得從頭開始設(shè)計(jì)；如果需要在原來的版本基礎(chǔ)上增加新功能，很可能也得從頭來過，很難做到設(shè)計(jì)的可重用性。在邏輯方面，我覺得比較重要的規(guī)范有這些：

　　1.設(shè)計(jì)必須文檔化。要將設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)等寫入文檔，然后經(jīng)過嚴(yán)格評審?fù)ㄟ^后才能進(jìn)行下一步的工作。這樣做乍看起來很花時(shí)間，但是從整個(gè)項(xiàng)目過程來看，絕對要比一上來就寫代碼要節(jié)約時(shí)間，且這種做法可以使項(xiàng)目處于可控、可實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。

　　2.代碼規(guī)范。

　　如果在另一個(gè)設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘是40ns，復(fù)位周期不變，我們只需對CLK_PERIOD進(jìn)行重新例化就行了，從而使得代碼更加易于重用。 b.信號命名要規(guī)范化。

　　1） 信號名一律小寫，參數(shù)用大寫。

　　2） 對于低電平有效的信號結(jié)尾要用_n標(biāo)記，如rst_n。

　　3） 端口信號排列要統(tǒng)一，一個(gè)信號只占一行，最好按輸入輸出及從哪個(gè)模塊來到哪個(gè)模塊去的關(guān)系排列，這樣在后期仿真驗(yàn)證找錯(cuò)時(shí)后 方便很多。

　　4） 一個(gè)模塊盡量只用一個(gè)時(shí)鐘，這里的一個(gè)模塊是指一個(gè)module或者是一個(gè)entity。在多時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中涉及到跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中最好有專門一個(gè)模塊做時(shí)鐘域的隔離。這樣做可以讓綜合器綜合出更優(yōu)的結(jié)果。

　　5） 盡量在底層模塊上做邏輯，在高層盡量做例化，頂層模塊只能做例化，禁止出現(xiàn)任何膠連邏輯（glue logic），哪怕僅僅是對某個(gè)信號取反。理由同上。

　　6） 在FPGA的設(shè)計(jì)上禁止用純組合邏輯產(chǎn)生latch，帶D觸發(fā)器的latch的是允許的，比如配置寄存器就是這種類型。

　　7） 一般來說，進(jìn)入FPGA的信號必須先同步，以提高系統(tǒng)工作頻率（板級）。

　　8） 所有模塊的輸出都要寄存器化，以提高工作頻率，這對設(shè)計(jì)做到時(shí)序收斂也是極有好處的。

　　9） 除非是低功耗設(shè)計(jì)，不然不要用門控時(shí)鐘--這會(huì)增加設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性，在要用到門控時(shí)鐘的地方，也要將門控信號用時(shí)鐘的下降沿 打一拍再輸出與時(shí)鐘相與。

　　10）禁止用計(jì)數(shù)器分頻后的信號做其它模塊的時(shí)鐘，而要用改成時(shí)鐘使能的方式，否則這種時(shí)鐘滿天飛的方式對設(shè)計(jì)的可靠性極為不利，也大大增加了靜態(tài)時(shí)序分析的復(fù)雜性。如FPGA的輸入時(shí)鐘是25M的，現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部要通過RS232與PC通信，要以rs232_1xclk的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　時(shí)序是設(shè)計(jì)出來的

　　我的boss有在華為及峻龍工作的背景，自然就給我們講了一些華為及altera做邏輯的一些東西，而我們的項(xiàng)目規(guī)范，也基本上是按華為的那一套去做。在工作這幾個(gè)月中，給我感觸最深的是華為的那句話：時(shí)序是設(shè)計(jì)出來的，不是仿出來的，更不是湊出來的。在我們公司，每一個(gè)項(xiàng)目都有很嚴(yán)格的評審，只有評審?fù)ㄟ^了，才能做下一步的工作。以做邏輯為例，并不是一上來就開始寫代碼，而是要先寫總體設(shè)計(jì)方案和邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，要等這些方案評審?fù)ㄟ^，認(rèn)為可行了，才能進(jìn)行編碼，一般來說這部分工作所占的時(shí)間要遠(yuǎn)大于編碼的時(shí)間。

　　總體方案主要是涉及模塊劃分，一級模塊和二級模塊的接口信號和時(shí)序（我們要求把接口信號的時(shí)序波形描述出來）以及將來如何測試設(shè)計(jì)。在這一級方案中，要保證在今后的設(shè)計(jì)中時(shí)序要收斂到一級模塊（最后是在二級模塊中）。什么意思呢？我們在做詳細(xì)設(shè)計(jì)的時(shí)候，對于一些信號的時(shí)序肯定會(huì)做一些調(diào)整的，但是這種時(shí)序的調(diào)整最多只能波及到本一級模塊，而不能影響到整個(gè)設(shè)計(jì)。記得以前在學(xué)校做設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于不懂得設(shè)計(jì)時(shí)序，經(jīng)常因?yàn)橛幸惶幮盘柕臅r(shí)序不滿足，結(jié)果不得不將其它模塊信號的時(shí)序也改一下，搞得人很郁悶。

　　在邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)方案這一級的時(shí)候，我們已經(jīng)將各級模塊的接口時(shí)序都設(shè)計(jì)出來了，各級模塊內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的也基本上確定下來了。由于做到這一點(diǎn)，在編碼的時(shí)候自然就很快了，最重要的是這樣做后可以讓設(shè)計(jì)會(huì)一直處于可控的狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)槟骋惶幍腻e(cuò)誤引起整個(gè)設(shè)計(jì)從頭進(jìn)行。

　　如何提高電路工作頻率

　　對于設(shè)計(jì)者來說，我們當(dāng)然希望我們設(shè)計(jì)的電路的工作頻率（在這里如無特別說明，工作頻率指FPGA片內(nèi)的工作頻率）盡量高。我們也經(jīng)常聽說用資源換速度，用流水的方式可以提高工作頻率，這確實(shí)是一個(gè)很重要的方法，今天我想進(jìn)一步去分析該如何提高電路的工作頻率。

　　我們先來分析下是什么影響了電路的工作頻率。

　　我們電路的工作頻率主要與寄存器到寄存器之間的信號傳播時(shí)延及clock skew有關(guān)。在FPGA內(nèi)部如果時(shí)鐘走長線的話，clock skew很小，基本上可以忽略， 在這里為了簡單起見，我們只考慮信號的傳播時(shí)延的因素。信號的傳播時(shí)延包括寄存器的開關(guān)時(shí)延、走線時(shí)延、經(jīng)過組合邏輯的時(shí)延（這樣劃分或許不是很準(zhǔn)確，不過對分析問題來說應(yīng)該是沒有可以的），要提高電路的工作頻率，我們就要在這三個(gè)時(shí)延中做文章，使其盡可能的小。我們先來看開關(guān)時(shí)延，這個(gè)時(shí)延是由器件物理特性決定的，我們沒有辦法去改變，所以我們只能通過改變走線方式和減少組合邏輯的方法來提高工作頻率。

　　1.通過改變走線的方式減少時(shí)延。

　　以 Altera的器件為例，我們在quartus里面的timing closure floorplan 可以看到有很多條條塊塊，我們可以將條條塊塊按行和按列分，每一個(gè)條塊代表1個(gè)LAB，每個(gè)LAB里有8個(gè)或者是10個(gè)LE。它們的走線時(shí)延的關(guān)系如下：同一個(gè)LAB中（最快） 同列或者同行 不同行且不同列。

　　我們通過給綜合器加適當(dāng)?shù)募s束（不可貪心，一般以加5%裕量較為合適，比如電路工作在100Mhz，則加約束加到105Mhz就可以了，貪心效果反而不好，且極大增加綜合時(shí)間）可以將相關(guān)的邏輯在布線時(shí)盡量布的靠近一點(diǎn)，從而減少走線的時(shí)延。（注：約束的實(shí)現(xiàn)不完全是通過改進(jìn)布局布線方式去提高工作頻率，還有其它的改進(jìn)措施）

　　2.通過減少組合邏輯的減少時(shí)延。

　　上面我們講了可以通過加約束來提高工作頻率，但是我們在做設(shè)計(jì)之初可萬萬不可將提高工作頻率的美好愿望寄托在加約束上，我們要通過合理的設(shè)計(jì)去避免出現(xiàn)大的組合邏輯，從而提高電路的工作頻率，這才能增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可移植性，才可以使得我們的設(shè)計(jì)在移植到另一同等速度級別的芯片時(shí)還能使用。

　　我們知道，目前大部分FPGA都基于4輸入LUT的，如果一個(gè)輸出對應(yīng)的判斷條件大于四輸入的話就要由多個(gè)LUT級聯(lián)才能完成，這樣就引入一級組合邏輯時(shí)延，我們要減少組合邏輯，無非就是要輸入條件盡可能的少，，這樣就可以級聯(lián)的LUT更少，從而減少了組合邏輯引起的時(shí)延。

　　我們平時(shí)聽說的流水就是一種通過切割大的組合邏輯（在其中插入一級或多級D觸發(fā)器，從而使寄存器與寄存器之間的組合邏輯減少）來提高工作頻率的方法。比如一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的進(jìn)位鏈很長，必然會(huì)降低工作頻率，我們可以將其分割成4位和8位的計(jì)數(shù)，每當(dāng)4位的計(jì)數(shù)器計(jì)到15后觸發(fā)一次8位的計(jì)數(shù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)器的切割，也提高了工作頻率。

　　在狀態(tài)機(jī)中，一般也要將大的計(jì)數(shù)器移到狀態(tài)機(jī)外，因?yàn)橛?jì)數(shù)器這東西一般是經(jīng)常是大于4輸入的，如果再和其它條件一起做為狀態(tài)的跳變判據(jù)的話，必然會(huì)增加LUT的級聯(lián)，從而增大組合邏輯。以一個(gè)6輸入的計(jì)數(shù)器為例，我們原希望當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111100后狀態(tài)跳變，現(xiàn)在我們將計(jì)數(shù)器放到狀態(tài)機(jī)外，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111011后產(chǎn)生個(gè)enable信號去觸發(fā)狀態(tài)跳變，這樣就將組合邏輯減少了。

　　上面說的都是可以通過流水的方式切割組合邏輯的情況，但是有些情況下我們是很難去切割組合邏輯的，在這些情況下我們又該怎么做呢？

　　狀態(tài)機(jī)就是這么一個(gè)例子，我們不能通過往狀態(tài)譯碼組合邏輯中加入流水。如果我們的設(shè)計(jì)中有一個(gè)幾十個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，它的狀態(tài)譯碼邏輯將非常之巨大，毫無疑問，這極有可能是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑。那我們該怎么做呢？還是老思路，減少組合邏輯。我們可以對狀態(tài)的輸出進(jìn)行分析，對它們進(jìn)行重新分類，并根據(jù)這個(gè)重新定義成一組組小狀態(tài)機(jī)，通過對輸入進(jìn)行選擇（case語句）并去觸發(fā)相應(yīng)的小狀態(tài)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了將大的狀態(tài)機(jī)切割成小的狀態(tài)機(jī)。在ATA6的規(guī)范中（硬盤的標(biāo)準(zhǔn)），輸入的命令大概有20十種，每一個(gè)命令又對應(yīng)很多種狀態(tài)，如果用一個(gè)大的狀態(tài)機(jī)（狀態(tài)套狀態(tài)）去做那是不可想象的，我們可以通過case語句去對命令進(jìn)行譯碼，并觸發(fā)相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)，這樣做下來這一個(gè)模塊的頻率就可以跑得比較高了。

　　總結(jié)：提高工作頻率的本質(zhì)就是要減少寄存器到寄存器的時(shí)延，最有效的方法就是避免出現(xiàn)大的組合邏輯，也就是要盡量去滿足四輸入的條件，減少LUT級聯(lián)的數(shù)量。我們可以通過加約束、流水、切割狀態(tài)的方法提高工作頻率。