1.面積與速度的平衡與互換

這里的面積指一個設計消耗 FPGA/CPLD 的邏輯資源的數量，對于 FPGA 可以用消耗的 FF（觸發器）和 LUT（查找表）來衡量，更一般的衡量方式可以用設計所占的等價邏輯門數。

速度指設計在芯片上穩定運行，所能達到的最高頻率，這個頻率由設計的時序狀況來決定，和設計滿足的時鐘要求，PAD to PAD time ，Clock Setup TIme，Clock Hold TIme，Clock-to-Output Delay 等眾多時序特征量密切相關。

面積和速度這兩個指標貫穿 FPGA/CPLD 設計的時鐘，是設計質量的評價的終極標準。

面積和速度是一對對立統一的矛盾體。要求一個同事具備設計面積最小，運行頻率最高是不現實的。更科學的設計目標應該是在滿足設計時序要求（包括對設計頻率的要求）的前提下，占用最小的芯片面積。或者在所規定的面積下，是設計的時序余量更大，頻率跑的更高。這兩種目標充分體現了面積和速度的平衡的思想。

作為矛盾的兩個組成部分，面積和速度的地位是不一樣的。相比之下，滿足時序、工作頻率的要求更重要一些，當兩者沖突時，采用速度優先的準則。

從理論上講，如果一個設計時序余量較大，所能跑的速度遠遠高于設計要求，那么就通過功能模塊的復用來減少整個設計消耗的芯片面積，這就是用速度的優勢換取面積的節約。反之，如果一個設計的時序要求很高，普通方法達不到設計頻率，那么一般可以通過將數據流串并轉換，并行復制多個操作模塊，對整個設計采取乒乓操作和串并轉換的思想運行。

2. 硬件原則

硬件原則主要針對 HDL 代碼編寫而言

Verilog 是采用了 C 語言形式的硬件的抽象，它的本質作用在于描述硬件！它的最終實現結果是芯片內部的實際電路。所以評判一段 HDL 代碼的優劣的最終標準是：其描述并實現的硬件電路的性能。包括面積和速度兩個方面。評價一個設計的代碼水平較高，僅僅是說這個設計是由硬件想 HDL 代碼這種表現形式的轉換更加流暢、合理。而一個設計最終性能，在更大程度上取決于設計工程師所構想的硬件實現方案的效率以及合理性。（HDL 代碼僅僅是硬件設計的表達形式之一）

初學者，片面追求代碼的整潔、簡短，是錯誤的。是與 HDL 的標準背道而馳的。正確的編碼方法，首先要做到對所需實現的硬件電路胸有成竹，對該部分的硬件的結構和連接十分清晰，然后再用適當的 HDL 語句表達出來即可。

另外，Verilog 作為一種 HDL 語言，是分層次的。系統級 -- 算法級 -- 寄存器傳輸級 -- 邏輯級 -- 門級 -- 開關級。

構建優先級樹會消耗大量的組合邏輯，所以如果能夠使用 case 的地方，盡量使用 case 代替 if.....else......

3. 系統原則

系統原則包含兩個層次的含義：更高層面上看，是一個硬件系統，一塊單板如何進行模塊花費和任務分配，什么樣的算法和功能適合放在 FPGA 里面實現，什么樣的算法和功能適合放在 DSP，CPU 里面實現，以及 FPGA 的規模估算數據接口設計等。具體到 FPGA 設計就要對設計的全局有個宏觀上的合理安排，比如時鐘域，模塊復用，約束，面積，速度等問題。在系統上模塊的優化最為重要。

一般來說實時性要求高，頻率快的功能模塊適合 FPGA 實現。而 FPGA 和 CPLD 相比，更適合實現規模較大，頻率較高、寄存器較多的設計。使用 FPGA/CPLD 設計時，應該對芯片內部的各種底層硬件資源，和可用的設計資源有一個較深刻的認識。比如 FPGA 一般觸發器資源豐富，CPLD 的組合邏輯資源更加豐富。FPGA/CPLD 一般是由底層可編程硬件單元，BRAM，布線資源，可配置 IO 單元，時鐘資源等構成。底層可編程硬件單元一般由觸發器和查找表組成。Xilinx 的底層可編程硬件資源較 SLICE，由兩個 FF 和 2 個 LUT 構成。Altera 的底層硬件資源叫 LE，由 1 個 FF 和 1 個 LUT 構成。

使用片內 RAN 可以實現單口 RAM，雙口 RAM，同步、異步 FIFO，ROM，CAM 等常用單元模塊。

一般的 FPGA 系統規劃的簡化流程

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4. 同步設計原則

異步電路

電路的邏輯核心是用組合邏輯電路實現。比如異步的 FIFO/RAM 讀寫信號，地址譯碼等電路。電路的主要信號、輸出信號等并不依賴于任何一個時鐘性信號，不是由時鐘信號驅動 FF 產生的。

異步時序電路的最大缺點是容易產生毛刺。在布局布線后仿真和用邏輯分析儀觀測實際信號時，這種毛刺尤其明顯。

同步時序

電路的核心邏輯用各種各樣的觸發器實現

電路的主要信號、輸出信號都是由某個時鐘沿驅動觸發器產生出來的。

同步時序電路可以很好的避免毛刺。布局布線后仿真，和用邏輯分析儀采樣實際工作信號都沒有毛刺。

是否時序電路一定比異步電路使用更多的資源呢？

從單純的 ASCI 設計來看，大約需要 7 個門來實現一個 D 觸發器，而一個門即可實現一個 2 輸入與非門，所以一般來說，同步時序電路比異步電路占用更大的面積。（FPGA/CPLD 中不同，主要是因為單元塊的計算方式）

如何實現同步時序電路的延時？

異步電路產生延時的一般方法是插入一個 Buffer，兩級與非門等。這種延時調整手段是不適用同步時序設計思想的。首先要明確一點 HDL 語法中的延時控制語法，是行為級的代碼描述，常用于仿真測試激勵，但是在電路綜合是會被忽略，并不能啟動延時作用。

同步時序電路的延時一般是通過時序控制完成的。換句話說，同步時序電路的延時被當做一個電路邏輯來設計。對于比較大的和特殊定時要求的延時，一般用高速時鐘產生一個計數器，通過計數器的計數控制延遲；對于比較小的延時，可以用 D 觸發器打一下，這種做法不僅僅使信號延時了一個時鐘周期，而且完成了信號與時鐘的初次同步，在輸入信號采樣和增加時序約束余量中使用。

同步時序電路的時鐘如何產生？

時鐘的質量和穩定性直接決定著同步時序電路的性能。

輸入信號的同步

同步時序電路要求對輸入信號進行同步化，如果輸入數據的節拍和本級芯片的處理時鐘同頻，并且建立保持時間匹配，可以直接用本級芯片的主時鐘對輸入數據寄存器采樣，完成輸入數據的同步化。如果輸入數據和本級芯片的處理時鐘是異步的，特別是頻率不匹配的時候，則要用處理時鐘對輸入數據做兩次寄存器采樣，才能完成輸入數據的同步化。

是不是定義為 Reg 型，就一定綜合成寄存器，并且是同步時序電路呢？

答案的否定的。Verilog 中最常用的兩種數據類型 Wire 和 Reg，一般來說，Wire 型指定書數據和網線通過組合邏輯實現，而 reg 型指定的數據不一定就是用寄存器實現。

5. 乒乓操作

乒乓操作是一個常常應用于數據流控制的處理技巧。

數據緩沖模塊可以為任何的存儲模塊，比較常用的存儲模塊為雙口 RAM(DPRAM),單口 RAM（SPRAM），FIFO 等。在等一個緩沖周期，將輸入的數據流緩存到數據緩存模塊 1，在第二個緩沖周期，通過輸入數據流選擇單元，將輸入的數據流緩存到數據緩沖模塊 2. 乒乓操作的最大特點是，通過輸入數據選擇單元和輸出數據選擇單元，進行運算和處理。把乒乓操作模塊當成一個整體，站在兩端看數據，輸入數據和輸出數據流都是連續不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對數據流進行流水線式處理。所以乒乓操作常常應用于流水線式算法，完成數據的無縫緩沖和處理。

乒乓操作的第二個優點是可以節約緩沖區空間。比如在 WCDMA 基帶應用中，1 幀是由 15 個時隙組成的，有時需要將 1 整幀的數據延時一個時隙后處理，比較直接的方法就是將這幀數據緩存起來，然后延時一個時隙，進行處理。這時緩沖區的長度為 1 幀的數據長，假設數據速率是 3.84Mb/s，1 幀 10ms，此時需要緩沖區的長度是 38400bit，如果采用乒乓操作，只需定義兩個緩沖 1 時隙的數據 RAM，當向一個 RAM 寫數據時，從另一塊 RAM 讀數據，然后送到處理單元處理，此時每塊 RAM 的容量僅需 2560bit，2 塊加起來 5120bit 的容量。

巧妙的運用乒乓操作，還可以達到低速模塊處理高速數據流的效果。

6. 串并轉換

7. 流水線操作

流水線處理是高速設計中一個常用的設計手段。如果某個設計的處理流程分為若干步驟，而且整個數據處理是單流向的。則可以考慮采用流水線設計方法提高系統的工作頻率。

其基本結構為：將適當劃分的 n 個操作步驟單流向串聯起來。流水線操作的最大特點和要求是，數據在各個步驟的處理，從時間上是連續的，如果將每個操作步驟簡化假設為一個通過 D 觸發器（就是用寄存器打一個節拍），那么流水線操作就類似一個移位寄存器組，數據流依次流經 D 觸發器，完成每個步驟的操作。流水線設計時序圖如下：

流水線設計的關鍵在于，整個設計時序的合理安排。要求每個操作步驟的劃分合理。如果前級操作時間恰好等于后級操作時間，設計最為簡單，前級的輸出直接匯入后級的輸入即可。如果前級操作時間大于后級操作時間，則需要進行適當緩存。如果前級操作時間小于后級操作時間，則必須通過復制邏輯，將數據流分流，或在前級對數據采用存儲、后處理的方式。否則會造成后級數據的溢出。

8. 數據接口的同步方法

數據接口的同步在 FPGA/CPLD 設計中一個常見問題。很多設計工作不穩定都是源于數據接口的同步問題。

輸入輸出的延時不可測，或者可能有變動，如何完成數據的同步？

對于數據延遲不可測或者變動，就需要建立同步機制。或者用一個同步使能，或者同步指示信號。另外使數據通過 RAM 或者 FIFO 的存取，也可以達到數據同步的目的。

把數據存放在 RAM 或 FIFO 的方法如下，將上級芯片提供的數據隨路時鐘作為寫信號，將數據寫入 RAM 或者 FIFO，然后使用本級時鐘的采樣時鐘（一般是數據處理的主時鐘），將數據讀出來即可。這種做法的關鍵是數據寫入 RAM 或者 FIFO 要可靠，如果使用同步 RAM 或者 FIFO，就要求有一個與數據延遲相對關系固定的隨路指示信號。

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審核編輯：黃飛

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