VHDL編碼中面積優(yōu)化探討

　　1 引言

　　VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。這種用語(yǔ)言描述硬件電路的方式，容易修改和保存，且具有很強(qiáng)的行為描述能力，所以在電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。利用VHDL語(yǔ)言對(duì)PLD開發(fā)，面積（Area）是一個(gè)很重要的指標(biāo)。通過(guò)“面積”優(yōu)化可以使用規(guī)模更小的可編程邏輯芯片，從而降低系統(tǒng)成本；改善電路性能，降低器件功耗；為以后的技術(shù)升級(jí)留下更多的可編程資源，方便添加產(chǎn)品的功能。

　　VHDL包含的語(yǔ)句非常豐富,不同的描述可以實(shí)現(xiàn)同樣的邏輯功能。但應(yīng)注意，實(shí)現(xiàn)同樣功能的不同描述，可能在綜合出的電路規(guī)模上存在差異，也就是說(shuō)，對(duì)資源的利用率有所不同。本文就有關(guān)VHDL編碼方面的面積優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行討論。

　　2 常見(jiàn)問(wèn)題

　　2.1 避免引入不必要的寄存器元件

　　在描述組合邏輯電路時(shí)，應(yīng)使用完整的條件語(yǔ)句結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴煌暾麠l件語(yǔ)句的使用會(huì)引入不必要的寄存器元件，既浪費(fèi)邏輯資源，又降低電路的工作速度，影響電路的可靠性[1]。例如用IF條件語(yǔ)句設(shè)計(jì)一個(gè)純組合電路的比較器，比較以下兩例：

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/349434.htm　　例1中未提及當(dāng)a1=b1時(shí)q1作何操作，結(jié)果導(dǎo)致了一個(gè)不完整條件語(yǔ)句，VHDL綜合器對(duì)此解釋為：當(dāng)條件al=bl時(shí)ql保持原值，這意味著必須給ql配置一個(gè)寄存器。綜合結(jié)果如圖1所示。例2中“ELSE ql = ‘0’”語(yǔ)句交代了除“al = bl”以外的所有情況下ql的賦值行為，從而綜合出如圖2所示簡(jiǎn)潔的組合電路。

　　2.2 寄存器描述中存在信號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)

　　信號(hào)可以作為設(shè)計(jì)實(shí)體中并行語(yǔ)句模塊間的信息交流通道，是具有全局性特征的數(shù)值容器。在時(shí)序電路設(shè)計(jì)中，為了在設(shè)計(jì)更大的電路時(shí)使用由此引入的時(shí)序電路的信號(hào)，常在電路內(nèi)部定義節(jié)點(diǎn)信號(hào)。通過(guò)信號(hào)完成進(jìn)程之間的通信，從而保證結(jié)構(gòu)體中多個(gè)進(jìn)程能夠并行同步運(yùn)行。寄存器描述中有節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，不同的描述會(huì)產(chǎn)生不同的綜合結(jié)果。如以下兩例：

　　雖然例3與例4都欲描述D觸發(fā)器的邏輯功能，但綜合的結(jié)果卻不同。因?yàn)檫M(jìn)程語(yǔ)句本身屬于并行描述語(yǔ)句，只要進(jìn)程中定義的任一敏感信號(hào)發(fā)生變化，進(jìn)程可以在任何時(shí)刻被激活，而所有被激活的進(jìn)程都是并行運(yùn)行的。例3中的兩個(gè)賦值語(yǔ)句QQ = din 和qout = QQ都在IF語(yǔ)句中，而IF語(yǔ)句屬于順序條件語(yǔ)句，并且它們的執(zhí)行都依賴于時(shí)鐘條件，即這兩條語(yǔ)句中的QQ并非是同一時(shí)鐘周期的值。因此在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，din不可能將值傳到qout。實(shí)際運(yùn)行中QQ被更新的值是上一時(shí)鐘周期的din，而qout被更新的值也是上一時(shí)鐘周期的QQ。顯然此程序的綜合結(jié)果只能是圖3所示的電路。而例4中的qout = QQ在END IF語(yǔ)句之后，它與IF語(yǔ)句的執(zhí)行具有順序/并行性[1][2]，其執(zhí)行不依賴于時(shí)鐘條件，故而可以綜合出圖4所示的電路。顯然，例4要優(yōu)于例3。

　　2.3 資源共享

　　在設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)常常需要反復(fù)地調(diào)用一個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的模塊，這類模塊往往是算術(shù)模塊。如例5中兩個(gè)加法器是在s不同取值時(shí)分別使用的，且輸入a一直接入加法器。略作修改，如例6，可以只用一個(gè)加法器完成同樣功能，從而有效地減小使用面積。

　　2.4 慎用CASE語(yǔ)句

　　CASE語(yǔ)句描述的程序可讀性較好，因?yàn)樗褩l件中所有可能出現(xiàn)的情況全部列出來(lái)了，可執(zhí)行條件一目了然，且條件句的次序并不重要。故而是常用的條件語(yǔ)句之一。因?yàn)樗膱?zhí)行過(guò)程更接近于并行方式，一般地，綜合后，對(duì)于相同的邏輯功能CASE語(yǔ)句比IF語(yǔ)句（順序條件語(yǔ)句）的描述耗用更多的硬件資源[1]。

　　另外，Max+plusⅡ有時(shí)對(duì)NULL會(huì)出現(xiàn)擅自加入鎖存器的情況，在用CASE語(yǔ)句描述組合邏輯電路時(shí)，應(yīng)盡量避免使用NULL來(lái)表示未用條件下的操作行為，改用確定操作，如例7。

　　2.5 在進(jìn)程中，對(duì)變量要先讀后寫[3]

　　因?yàn)樽兞恐凳橇⒓传@得的，如果先寫后讀就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)的組合邏輯和鎖存器。因此，在編寫代碼時(shí)，對(duì)變量要先讀后寫，如例8。

　　2.6 簡(jiǎn)單的比較運(yùn)算符比排序操作符大大節(jié)省資源

　　就綜合而言，簡(jiǎn)單的比較運(yùn)算符（＝和/＝）在實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，比排序操作符（>、>=、、=）構(gòu)成的電路芯片資源利用率要高。因此，如有可能，應(yīng)盡量用比較運(yùn)算府代替排序操作符。

　　2.7 盡量采用可計(jì)算型下標(biāo)名

　　下標(biāo)名用于指示數(shù)組型變量或信號(hào)的某一元素。如果下標(biāo)名是一個(gè)可計(jì)算的值，則此操作數(shù)可很容易地進(jìn)行綜合。否則，只能在特定的情況下綜合，且耗費(fèi)資源較大。所以，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用可計(jì)算型下標(biāo)名，以提高資源利用率。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　功能強(qiáng)大的EDA開發(fā)軟件和專業(yè)的綜合工具的不斷發(fā)展，使應(yīng)用VHDL進(jìn)行PLD設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單、更快捷。但決不能忽視VHDL語(yǔ)言的使用。隨著所設(shè)計(jì)電路規(guī)模的增大，對(duì)有限的芯片資源的利用率問(wèn)題就顯得尤其重要。在不影響速度要求前提下，應(yīng)盡可能地進(jìn)行面積優(yōu)化。適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行編碼是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要保障，對(duì)高質(zhì)量、高效率地完成VHDL是十分有意的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 潘松，黃繼業(yè)．EDA技術(shù)實(shí)用教程．北京：科學(xué)出版社，2002

　　[2] 趙剛 等．EDA技術(shù)簡(jiǎn)明教程．成都：四川大學(xué)出版社，2004

　　[3] 林瑤，使用VHDL語(yǔ)言中幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題的探討，微計(jì)算機(jī)信息：2004年，20卷，9期，136~137頁(yè)

　　創(chuàng)新點(diǎn)：寄存器描述中有節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，根據(jù)由節(jié)點(diǎn)信號(hào)向端口賦值語(yǔ)句在程序中的不同位置，綜合的結(jié)果存在差異：此語(yǔ)句在IF條件語(yǔ)句之內(nèi)時(shí)寄存器占用的邏輯資源比它在IF條件語(yǔ)句之外時(shí)多一倍。