以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

在各類行業與應用中，經常能看到許多 FPGA 設計。一個非常常見的現象是：設計者常常用復雜的有限狀態機（FSM）來實現 I2C、SPI、GPIO 時序控制等功能。

然而，隨著功能不斷擴展，這些 FSM 往往會變得十分龐大、難以維護，大大增加了系統上板調試與驗證的難度。而且，這些 FSM 不僅要經過仿真驗證，上板后還要再次驗證——耗時、費力，也不夠靈活。

當我在 FPGA 中實現這類接口時，我的常用方法是直接用 MicroBlaze V 來替代復雜 FSM。通過加入一個輕量級軟核處理器，我可以用簡單的 C 程序來完成控制功能。這讓整個邏輯變得更靈活、更直觀，也更容易修改，尤其是在項目末期不可避免的“最后一分鐘更改”發生時，這種方式能顯著降低風險。

可能有人會擔心：加入 MicroBlaze V 會不會導致資源暴增？

事實上，MicroBlaze V 的可配置性非常高，可以根據應用需求高度裁剪資源，從而大幅減小占用。

這篇文章便是希望深入探討：MicroBlaze V 的配置選項，以及它們對資源占用的影響。

MicroBlaze V 架構選項：不同流水線級數

MicroBlaze V 基于 RISC-V RV32 架構，但它不僅可配置外設與接口，還可以選擇指令集擴展，以及處理器內部架構，比如流水線深度。

Vivado 中 MicroBlaze V 的架構配置主要體現在流水線級數：

Area（面積） 配置：3 級流水線 —— 資源最小化

Throughput（吞吐量） 配置：4 級流水線 —— 注重運算吞吐率

Performance（性能） 配置：5 級流水線 —— 面向高性能

Frequency（頻率） 配置：8 級流水線 —— 優化最高運行頻率

需要注意的是，如果程序運行在延遲較高的外部存儲上（如 DDR），指令獲取可能超過一個周期，因此存儲層級與緊耦合緩存（Tightly Coupled Memory/Cache）至關重要。關于緩存配置，我會在下一篇文章中詳細討論。

MicroBlaze V 的 ISA 可選擴展

MicroBlaze V 支持啟用多種可選 RISC-V 擴展，每一種都會影響面積、性能與靈活性：

1. Code Compression (C)-代碼壓縮（C 擴展）

32 位指令替換為 16 位短指令

程序體積可減少 25–35%

幾乎無性能損失

硬件只需極少資源，非常劃算

2. Integer Multiplier (M)-整數乘法/除法（M 擴展）

加速涉及乘除法的運算

會使用一定數量的 FPGA DSP 資源

3. Floating Point (F)-浮點單精度（F 擴展）

提供硬件浮點運算

性能顯著提升

資源消耗大幅上升（LUT/FF）

4. Atomic Operations (A)-原子操作（A 擴展）

實現原子讀-改-寫指令

適用于 RTOS、多線程、鎖機制

邏輯開銷較小

5. Bit Manipulation (Zba/Zbb/Zbc/Zbs) -位操作擴展（Zba/Zbb/Zbc/Zbs）

加速移位、旋轉、位計數、提取等操作

對加密、DSP 類應用非常有價值

啟用更多擴展意味著更多資源占用，因此我對不同配置進行了綜合與實現，對比資源消耗情況。

MicroBlaze V 綜合結果（部分）

以下為四種流水線配置下，主要 ISA 組合的 LUT、FF、BRAM、DSP 使用情況。從結果中可以看出一些趨勢：

Area（資源占用）

Throughput（吞吐）

Performance（性能）

Frequency（頻率）

從表格和圖表中可以看出：

最小的 RV32I 資源占用最小

不含壓縮、乘法、浮點等擴展

非常適合替代中小型 FSM

M 擴展導致資源中等增加

LUT/FF 有一定增加

DSP 消耗增加（乘法器）

F 擴展導致資源大幅增長

因 FPU（浮點單元）需要大量邏輯

C 擴展幾乎“免費”

硬件增加極小

但顯著減少代碼體積與 BRAM 使用

強烈推薦啟用

ICMF（全功能）組合資源最多

但相比其他 CPU，要實現同等功能仍相當劃算

資源增長趨勢（相對于 RV32I）

可見：

C 擴展最劃算，建議幾乎所有項目都開啟

F 擴展才是資源暴增的主要來源

M 擴展非常值得開啟，只需少量 DSP

不同應用的最佳配置建議

結合資源、性能與實測數據，可給出常見設計的推薦選項：

● RV32IM（Throughput吞吐量）

極佳的平衡性——約 1.5K 個 LUT，4 個 DSP

適合需要少量算術與可靠吞吐的驅動型任務

● RV32IMF（Performance性能）

計算密集型 — 4012 個查找表，6 個數字信號處理器

高性能、高算力需求

示例：浮點運算、控制算法

● RV32IC

如果工作負載僅涉及整數運算且內存帶寬受限，則它是最具成本效益的選擇。

對 BRAM 敏感的設計優先考慮

● RV32ICMF（Area面積）

適用于復雜系統控制

指令壓縮提高程序密度

總結：MicroBlaze V 是 FSM 的更現代、更靈活的替代方案

在 FPGA 設計中，使用 MicroBlaze V 替代復雜 FSM，能夠：

大幅降低 RTL 復雜度

提高可維護性

加快調試效率

在資源可控的前提下，獲得極高的靈活性與擴展性

在最小配置下，MicroBlaze V 的資源占用非常小，卻能輕松實現許多 FSM 很難維護的復雜功能。

對于需要快速適配變化、軟件可擴展性高、邏輯較復雜的控制任務，MicroBlaze V 無疑是更先進、更高效的選擇。