“老司機(jī)”十年FPGA從業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

　　14.組合邏輯的注意事項(xiàng)

　　(1)避免組合邏輯反饋環(huán)路(容易毛刺、振蕩、時(shí)序違規(guī)等)。

　　解決:A.牢記任何反饋回路必須包含寄存器;B.檢查綜合、實(shí)現(xiàn)報(bào)告的warning信息,發(fā)現(xiàn)反饋回路(combinaTIonal loops)后進(jìn)行相應(yīng)修改。

　　(2)替換延遲鏈。

　　解決:用倍頻、分頻或者同步計(jì)數(shù)器完成。

　　(3)替換異步脈沖產(chǎn)生單元(毛刺生成器)。

　　解決:用同步時(shí)序設(shè)計(jì)脈沖電路。

　　(4)慎用鎖存器。

　　解決方式:

　　A、使用完備的if…else語句;

　　B、檢查設(shè)計(jì)中是否含有組合邏輯反饋環(huán)路;

　　C、對(duì)每個(gè)輸入條件,設(shè)計(jì)輸出操作,對(duì)case語句設(shè)置default 操作。特別是在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中,最好有一個(gè)default的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,而且每個(gè)狀態(tài)最好也有一個(gè)default的操作。

　　D、如果使用case語句時(shí),特別是在設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)時(shí),盡量附加綜合約束屬性,綜合為完全條件case語句。

　　小技巧:仔細(xì)檢查綜合器的綜合報(bào)告,目前大多數(shù)的綜合器對(duì)所綜合出的latch都會(huì)報(bào)“warning”,通過綜合報(bào)告可以較為方便地找出無意中生成的latch。

　　15.時(shí)鐘設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

　　同步時(shí)序電路推薦的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法:時(shí)鐘經(jīng)全局時(shí)鐘輸入引腳輸入,通過FPGA內(nèi)部專用的PLL或DLL進(jìn)行分頻/倍頻、移相等調(diào)整與運(yùn)算,然后經(jīng)FPGA內(nèi)部全局時(shí)鐘布線資源驅(qū)動(dòng)到達(dá)芯片內(nèi)所有寄存器和其他模塊的時(shí)鐘輸入端。

　　FPGA設(shè)計(jì)者的5項(xiàng)基本功:仿真、綜合、時(shí)序分析、調(diào)試、驗(yàn)證。

　　對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說,練好這5項(xiàng)基本功,與用好相應(yīng)的EDA工具是同一過程,對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

　　仿真:Modelsim, Quartus II(Simulator Tool)

　　2. 綜合:Quartus II (Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

　　3. 時(shí)序:Quartus II (TImeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

　　4. 調(diào)試:Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)

　　5. 驗(yàn)證:Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)

　　掌握HDL語言雖然不是FPGA設(shè)計(jì)的全部,但是HDL語言對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的影響貫穿于整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)流程中,與FPGA設(shè)計(jì)的5項(xiàng)基本功是相輔相成的。

　　對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說,用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設(shè)計(jì)50%的工作——設(shè)計(jì)編碼。

　　練好仿真、綜合、時(shí)序分析這3項(xiàng)基本功,對(duì)于學(xué)習(xí)“HDL語言的可綜合子集”有如下幫助:

　　通過仿真,可以觀察HDL語言在FPGA中的邏輯行為。

　　通過綜合,可以觀察HDL語言在FPGA中的物理實(shí)現(xiàn)形式。

　　通過時(shí)序分析,可以分析HDL語言在FPGA中的物理實(shí)現(xiàn)特性。

　　對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)者來說,用好“HDL語言的驗(yàn)證子集”,可以完成FPGA設(shè)計(jì)另外50%的工作——調(diào)試驗(yàn)證。

　　搭建驗(yàn)證環(huán)境,通過仿真的手段可以檢驗(yàn)FPGA設(shè)計(jì)的正確性。

　　2.全面的仿真驗(yàn)證可以減少FPGA硬件調(diào)試的工作量。

　　3.把硬件調(diào)試與仿真驗(yàn)證方法結(jié)合起來,用調(diào)試解決仿真未驗(yàn)證的問題,用仿真保證已經(jīng)解決的問題不在調(diào)試中再現(xiàn),可以建立一個(gè)回歸驗(yàn)證流程,有助于FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目的維護(hù)。

　　FPGA 設(shè)計(jì)者的這5項(xiàng)基本功不是孤立的,必須結(jié)合使用,才能完成一個(gè)完整的FPGA設(shè)計(jì)流程。反過來說,通過完成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程,才能最有效地練習(xí)這5項(xiàng)基本功。對(duì)這5項(xiàng)基本功有了初步認(rèn)識(shí),就可以逐個(gè)深入學(xué)習(xí)一些,然后把學(xué)到的知識(shí)再次用于完整的設(shè)計(jì)流程。如此反復(fù),就可以逐步提高設(shè)計(jì)水平。采用這樣的循序漸進(jìn)、螺旋式上升的方法,只要通過培訓(xùn)入了門,就可以自學(xué)自練,自我提高。

　　市面上出售的有關(guān)FPGA設(shè)計(jì)的書籍為了保證結(jié)構(gòu)的完整性,對(duì) FPGA設(shè)計(jì)的每一個(gè)方面分開介紹,每一方面雖然深入,但是由于缺少其他相關(guān)方面的支持,讀者很難付諸實(shí)踐,只有通讀完全書才能對(duì)FPGA設(shè)計(jì)獲得一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。這樣的書籍,作為工程培訓(xùn)指導(dǎo)書不行,可以作為某一個(gè)方面進(jìn)階的參考書。

　　對(duì)于新入職的員工來說,他們往往對(duì)FPGA的整體設(shè)計(jì)流程有了初步認(rèn)識(shí),5項(xiàng)基本功的某幾個(gè)方面可能很扎實(shí)。但是由于某個(gè)或某幾個(gè)方面能力的欠缺,限制了他們獨(dú)自完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程的能力。入職培訓(xùn)的目的就是幫助他們掌握整體設(shè)計(jì)流程,培養(yǎng)自我獲取信息的能力,通過幾個(gè)設(shè)計(jì)流程來回的訓(xùn)練,形成自我促進(jìn)、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過程中,隨著對(duì)工作涉及的知識(shí)的廣度和深度的認(rèn)識(shí)逐步清晰,新員工的自信心也會(huì)逐步增強(qiáng),對(duì)個(gè)人的發(fā)展方向也會(huì)逐步明確,才能積極主動(dòng)地參與到工程項(xiàng)目中來。

　　最后總結(jié)幾點(diǎn):

　　1)看代碼,建模型

　　只有在腦海中建立了一個(gè)個(gè)邏輯模型,理解FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),才能明白為什么寫Verilog和寫C整體思路是不一樣的,才能理解順序執(zhí)行語言和并行執(zhí)行語言的設(shè)計(jì)方法上的差異。在看到一段簡單程序的時(shí)候應(yīng)該想到是什么樣的功能電路。

　　2)用數(shù)學(xué)思維來簡化設(shè)計(jì)邏輯

　　學(xué)習(xí)FPGA不僅邏輯思維很重要,好的數(shù)學(xué)思維也能讓你的設(shè)計(jì)化繁為簡,所以啊,那些看見高數(shù)就頭疼的童鞋需要重視一下這門課哦。舉個(gè)簡單的例子,比如有兩個(gè)32bit的數(shù)據(jù)X[31:0]與Y[31:0]相乘。當(dāng)然,無論Altera還是Xilinx都有現(xiàn)成的乘法器IP核可以調(diào)用,這也是最簡單的方法,但是兩個(gè)32bit的乘法器將耗費(fèi)大量的資源。那么有沒有節(jié)省資源,又不太復(fù)雜的方式來實(shí)現(xiàn)呢?我們可以稍做修改:

　　將X[31:0]拆成兩部分X1[15:0]和X2[15:0],令X1[15:0]=X[31:16],X2[15:0]=X[15:0],則X1左移16位后與X2相加可以得到X;同樣將Y[31:0]拆成兩部分Y1[15:0]和Y2[15:0],令 Y1[15:0]=Y[31:16],Y2[15:0]=Y[15:0],則Y1左移16位后與Y2相加可以得到Y(jié);則X與Y的相乘可以轉(zhuǎn)化為X1和X2 分別與Y1和Y2相乘,這樣一個(gè)32bit*32bit的乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成了四個(gè)16bit*16bit的乘法運(yùn)算和三個(gè)32bit的加法運(yùn)算。轉(zhuǎn)換后的占用資源將會(huì)減少很多,有興趣的童鞋,不妨綜合一下看看,看看兩者差多少。

　　3)時(shí)鐘與觸發(fā)器的關(guān)系

　　“時(shí)鐘是時(shí)序電路的控制者” 這句話太經(jīng)典了,可以說是FPGA設(shè)計(jì)的圣言。FPGA的設(shè)計(jì)主要是以時(shí)序電路為主,因?yàn)榻M合邏輯電路再怎么復(fù)雜也變不出太多花樣,理解起來也不沒太多困難。但是時(shí)序電路就不同了,它的所有動(dòng)作都是在時(shí)鐘一拍一拍的節(jié)奏下轉(zhuǎn)變觸發(fā),可以說時(shí)鐘就是整個(gè)電路的控制者,控制不好,電路功能就會(huì)混亂。

　　打個(gè)比方,時(shí)鐘就相當(dāng)于人體的心臟,它每一次的跳動(dòng)就是觸發(fā)一個(gè) CLK,向身體的各個(gè)器官供血,維持著機(jī)體的正常運(yùn)作,每一個(gè)器官體統(tǒng)正常工作少不了組織細(xì)胞的構(gòu)成,那么觸發(fā)器就可以比作基本單元組織細(xì)胞。時(shí)序邏輯電路的時(shí)鐘是控制時(shí)序邏輯電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的“發(fā)動(dòng)機(jī)”,沒有它時(shí)序邏輯電路就不能正常工作,因?yàn)闀r(shí)序邏輯電路主要是利用觸發(fā)器存儲(chǔ)電路的狀態(tài),而觸發(fā)器狀態(tài)變換需要時(shí)鐘的上升或下降沿!由此可見時(shí)鐘在時(shí)序電路中的核心作用!

　　最后簡單說一下體會(huì)吧,歸結(jié)起來就多實(shí)踐、多思考、多問。實(shí)踐出真知,看 100遍別人的方案不如自己去實(shí)踐一下。實(shí)踐的動(dòng)力一方面來自興趣,一方面來自壓力,我個(gè)人覺得后者更重要。有需求會(huì)容易形成壓力,也就是說最好能在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中鍛煉,而不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。

　　在實(shí)踐的過程中要多思考,多想想問題出現(xiàn)的原因,問題解決后要多問幾個(gè)為什么,這也是經(jīng)驗(yàn)積累的過程,如果有寫項(xiàng)目日志的習(xí)慣更好,把問題及原因、解決的辦法都寫進(jìn)去。最后還要多問,遇到問題思索后還得不到解決就要問了,畢竟個(gè)人的力量是有限的,問同學(xué)同事、問搜索引擎、問網(wǎng)友都可以,一篇文章、朋友們的點(diǎn)撥都可能幫助自己快速解決問題。