四種常用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)思想與技巧
本文討論的四種常用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)思想與技巧:乒乓操作、串并轉(zhuǎn)換、流水線操作、數(shù)據(jù)接口同步化,都是FPGA/CPLD邏輯設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律的體現(xiàn),合理地采用這些設(shè)計(jì)思想能在FPGA/CPLD設(shè)計(jì)工作種取得事半功倍的效果。
FPGA/CPLD的設(shè)計(jì)思想與技巧是一個非常大的話題,由于篇幅所限,本文僅介紹一些常用的設(shè)計(jì)思想與技巧,包括乒乓球操作、串并轉(zhuǎn)換、流水線操作和數(shù)據(jù)接口的同步方法。希望本文能引起工程師們的注意,如果能有意識地利用這些原則指導(dǎo)日后的設(shè)計(jì)工作,將取得事半功倍的效果!
乒乓操作
“乒乓操作”是一個常常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理技巧,典型的乒乓操作方法如圖1所示。
乒乓操作的處理流程為:輸入數(shù)據(jù)流通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”將數(shù)據(jù)流等時分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲模塊,比較常用的存儲單元為雙口RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一個緩沖周期,將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”;在第2個緩沖周期,通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的切換,將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”,同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”緩存的第1個周期數(shù)據(jù)通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的選擇,送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理;在第3個緩沖周期通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的再次切換,將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”,同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第2個周期的數(shù)據(jù)通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”切換,送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理。如此循環(huán)。
乒乓操作的最大特點(diǎn)是通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”按節(jié)拍、相互配合的切換,將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有停頓地送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算與處理。把乒乓操作模塊當(dāng)做一個整體,站在這個模塊的兩端看數(shù)據(jù),輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流都是連續(xù)不斷的,沒有任何停頓,因此非常適合對數(shù)據(jù)流進(jìn)行流水線式處理。所以乒乓操作常常應(yīng)用于流水線式算法,完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。
乒乓操作的第二個優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約緩沖區(qū)空間。比如在WCDMA基帶應(yīng)用中,1個幀是由15個時隙組成的,有時需要將1整幀的數(shù)據(jù)延時一個時隙后處理,比較直接的辦法是將這幀數(shù)據(jù)緩存起來,然后延時1個時隙進(jìn)行處理。這時緩沖區(qū)的長度是1整幀數(shù)據(jù)長,假設(shè)數(shù)據(jù)速率是3.84Mbps,1幀長10ms,則此時需要緩沖區(qū)長度是38400位。如果采用乒乓操作,只需定義兩個能緩沖1個時隙數(shù)據(jù)的RAM(單口RAM即可)。
當(dāng)向一塊RAM寫數(shù)據(jù)的時候,從另一塊RAM讀數(shù)據(jù),然后送到處理單元處理,此時每塊RAM的容量僅需2560位即可,2塊RAM加起來也只有5120位的容量。
另外,巧妙運(yùn)用乒乓操作還可以達(dá)到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。如圖2所示,數(shù)據(jù)緩沖模塊采用了雙口RAM,并在DPRAM后引入了一級數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊,這個數(shù)據(jù)預(yù)處理可以根據(jù)需要的各種數(shù)據(jù)運(yùn)算,比如在WCDMA設(shè)計(jì)中,對輸入數(shù)據(jù)流的解擴(kuò)、解擾、去旋轉(zhuǎn)等。假設(shè)端口A的輸入數(shù)據(jù)流的速率為100Mbps,乒乓操作的緩沖周期是10ms。以下分析各個節(jié)點(diǎn)端口的數(shù)據(jù)速率。
A端口處輸入數(shù)據(jù)流速率為100Mbps,在第1個緩沖周期10ms內(nèi),通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”,從B1到達(dá)DPRAM1。B1的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps,DPRAM1要在10ms內(nèi)寫入1Mb數(shù)據(jù)。同理,在第2個10ms,數(shù)據(jù)流被切換到DPRAM2,端口B2的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps,DPRAM2在第2個10ms被寫入1Mb數(shù)據(jù)。在第3個10ms,數(shù)據(jù)流又切換到DPRAM1,DPRAM1被寫入1Mb數(shù)據(jù)。
仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)到第3個緩沖周期時,留給DPRAM1讀取數(shù)據(jù)并送到“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊1”的時間一共是20ms。有的工程師困惑于DPRAM1的讀數(shù)時間為什么是20ms,這個時間是這樣得來的:首先,在在第2個緩沖周期向DPRAM2寫數(shù)據(jù)的10ms內(nèi),DPRAM1可以進(jìn)行讀操作;另外,在第1個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為5ms時刻),DPRAM1就可以一邊向500K以后的地址寫數(shù)據(jù),一邊從地址0讀數(shù),到達(dá)10ms時,DPRAM1剛好寫完了1Mb數(shù)據(jù),并且讀了500K數(shù)據(jù),這個緩沖時間內(nèi)DPRAM1讀了5ms;在第3個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為35ms時刻),同理可以一邊向500K以后的地址寫數(shù)據(jù)一邊從地址0讀數(shù),又讀取了5個ms,所以截止DPRAM1第一個周期存入的數(shù)據(jù)被完全覆蓋以前,DPRAM1最多可以讀取20ms時間,而所需讀取的數(shù)據(jù)為1Mb,所以端口C1的數(shù)據(jù)速率為:1Mb/20ms=50Mbps。因此,“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊1”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。同理,“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊2”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。換言之,通過乒乓操作,“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊”的時序壓力減輕了,所要求的數(shù)據(jù)處理速率僅僅為輸入數(shù)據(jù)速率的1/2。
通過乒乓操作實(shí)現(xiàn)低速模塊處理高速數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)是:通過DPRAM這種緩存單元實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換,并行用“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊1”和“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊2”處理分流的數(shù)據(jù),是面積與速度互換原則的體現(xiàn)!
串并轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)技巧
串并轉(zhuǎn)換是FPGA設(shè)計(jì)的一個重要技巧,它是數(shù)據(jù)流處理的常用手段,也是面積與速度互換思想的直接體現(xiàn)。
串并轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣,根據(jù)數(shù)據(jù)的排序和數(shù)量的要求,可以選用寄存器、RAM等實(shí)現(xiàn)。前面在乒乓操作的圖例中,就是通過DPRAM實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換,而且由于使用了DPRAM,數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)可以開得很大,對于數(shù)量比較小的設(shè)計(jì)可以采用寄存器完成串并轉(zhuǎn)換。如無特殊需求,應(yīng)該用同步時序設(shè)計(jì)完成串并之間的轉(zhuǎn)換。比如數(shù)據(jù)從串行到并行,數(shù)據(jù)排列順序是高位在前,可以用下面的編碼實(shí)現(xiàn):
prl_temp={prl_temp,srl_in};
其中,prl_temp是并行輸出緩存寄存器,srl_in是串行數(shù)據(jù)輸入。
對于排列順序有規(guī)定的串并轉(zhuǎn)換,可以用case語句判斷實(shí)現(xiàn)。對于復(fù)雜的串并轉(zhuǎn)換,還可以用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。串并轉(zhuǎn)換的方法比較簡單,在此不必贅述。
流水線操作設(shè)計(jì)思想
首先需要聲明的是,這里所講述的流水線是指一種處理流程和順序操作的設(shè)計(jì)思想,并非FPGA、ASIC設(shè)計(jì)中優(yōu)化時序所用的“Pipelining”。
流水線處理是高速設(shè)計(jì)中的一個常用設(shè)計(jì)手段。如果某個設(shè)計(jì)的處理流程分為若干步驟,而且整個數(shù)據(jù)處理是“單流向”的,即沒有反饋或者迭代運(yùn)算,前一個步驟的輸出是下一個步驟的輸入,則可以考慮采用流水線設(shè)計(jì)方法來提高系統(tǒng)的工作頻率。
流水線設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其基本結(jié)構(gòu)為:將適當(dāng)劃分的n個操作步驟單流向串聯(lián)起來。流水線操作的最大特點(diǎn)和要求是,數(shù)據(jù)流在各個步驟的處理從時間上看是連續(xù)的,如果將每個操作步驟簡化假設(shè)為通過一個D觸發(fā)器(就是用寄存器打一個節(jié)拍),那么流水線操作就類似一個移位寄存器組,數(shù)據(jù)流依次流經(jīng)D觸發(fā)器,完成每個步驟的操作。流水線設(shè)計(jì)時序如圖4所示。
流水線設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵在于整個設(shè)計(jì)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的操作時間,設(shè)計(jì)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的操作時間,則需要對前級的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級輸入端;如果前級操作時間恰好小于后級的操作時間,則必須通過復(fù)制邏輯,將數(shù)據(jù)流分流,或者在前級對數(shù)據(jù)采用存儲、后處理方式,否則會造成后級數(shù)據(jù)溢出。
在WCDMA設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到流水線處理的方法,如RAKE接收機(jī)、搜索器、前導(dǎo)捕獲等。流水線處理方式之所以頻率較高,是因?yàn)閺?fù)制了處理模塊,它是面積換取速度思想的又一種具體體現(xiàn)。
數(shù)據(jù)接口的同步方法
數(shù)據(jù)接口的同步是FPGA/CPLD設(shè)計(jì)的一個常見問題,也是一個重點(diǎn)和難點(diǎn),很多設(shè)計(jì)不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)接口的同步有問題。
在電路圖設(shè)計(jì)階段,一些工程師手工加入BUFT或者非門調(diào)整數(shù)據(jù)延遲,從而保證本級模塊的時鐘對上級模塊數(shù)據(jù)的建立、保持時間要求。還有一些工程師為了有穩(wěn)定的采樣,生成了很多相差90度的時鐘信號,時而用正沿打一下數(shù)據(jù),時而用負(fù)沿打一下數(shù)據(jù),用以調(diào)整數(shù)據(jù)的采樣位置。這兩種做法都十分不可取,因?yàn)橐坏┬酒聯(lián)Q代或者移植到其它芯片組的芯片上,采樣實(shí)現(xiàn)必須從新設(shè)計(jì)。而且,這兩種做法造成電路實(shí)現(xiàn)的余量不夠,一旦外界條件變換(比如溫度升高),采樣時序就有可能完全紊亂,造成電路癱瘓。
下面簡單介紹幾種不同情況下數(shù)據(jù)接口的同步方法:
1. 輸入、輸出的延時(芯片間、PCB布線、一些驅(qū)動接口元件的延時等)不可測,或者有可能變動的條件下,如何完成數(shù)據(jù)同步?
對于數(shù)據(jù)的延遲不可測或變動,就需要建立同步機(jī)制,可以用一個同步使能或同步指示信號。另外,使數(shù)據(jù)通過RAM或者FIFO的存取,也可以達(dá)到數(shù)據(jù)同步目的。
把數(shù)據(jù)存放在RAM或FIFO的方法如下:將上級芯片提供的數(shù)據(jù)隨路時鐘作為寫信號,將數(shù)據(jù)寫入RAM或者FIFO,然后使用本級的采樣時鐘(一般是數(shù)據(jù)處理的主時鐘)將數(shù)據(jù)讀出來即可。這種做法的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)寫入RAM或者FIFO要可靠,如果使用同步RAM或者FIFO,就要求應(yīng)該有一個與數(shù)據(jù)相對延遲關(guān)系固定的隨路指示信號,這個信號可以是數(shù)據(jù)的有效指示,也可以是上級模塊將數(shù)據(jù)打出來的時鐘。對于慢速數(shù)據(jù),也可以采樣異步RAM或者FIFO,但是不推薦這種做法。
數(shù)據(jù)是有固定格式安排的,很多重要信息在數(shù)據(jù)的起始位置,這種情況在通信系統(tǒng)中非常普遍。通訊系統(tǒng)中,很多數(shù)據(jù)是按照“幀”組織的。而由于整個系統(tǒng)對時鐘要求很高,常常專門設(shè)計(jì)一塊時鐘板完成高精度時鐘的產(chǎn)生與驅(qū)動。而數(shù)據(jù)又是有起始位置的,如何完成數(shù)據(jù)的同步,并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“頭”呢?
數(shù)據(jù)的同步方法完全可以采用上面的方法,采用同步指示信號,或者使用RAM、FIFO緩存一下。
找到數(shù)據(jù)頭的方法有兩種,第一種很簡單,隨路傳輸一個數(shù)據(jù)起始位置的指示信號即可,對于有些系統(tǒng),特別是異步系統(tǒng),則常常在數(shù)據(jù)中插入一段同步碼(比如訓(xùn)練序列),接收端通過狀態(tài)機(jī)檢測到同步碼后就能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“頭”了,這種做法叫做“盲檢測”。
上級數(shù)據(jù)和本級時鐘是異步的,也就是說上級芯片或模塊和本級芯片或模塊的時鐘是異步時鐘域的。
前面在輸入數(shù)據(jù)同步化中已經(jīng)簡單介紹了一個原則:如果輸入數(shù)據(jù)的節(jié)拍和本級芯片的處理時鐘同頻,可以直接用本級芯片的主時鐘對輸入數(shù)據(jù)寄存器采樣,完成輸入數(shù)據(jù)的同步化;如果輸入數(shù)據(jù)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,則只有用處理時鐘對輸入數(shù)據(jù)做兩次寄存器采樣,才能完成輸入數(shù)據(jù)的同步化。需要說明的是,用寄存器對異步時鐘域的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次采樣,其作用是有效防止亞穩(wěn)態(tài)(數(shù)據(jù)狀態(tài)不穩(wěn)定)的傳播,使后級電路處理的數(shù)據(jù)都是有效電平。但是這種做法并不能保證兩級寄存器采樣后的數(shù)據(jù)是正確的電平,這種方式處理一般都會產(chǎn)生一定數(shù)量的錯誤電平數(shù)據(jù)。所以僅僅適用于對少量錯誤不敏感的功能單元。
為了避免異步時鐘域產(chǎn)生錯誤的采樣電平,一般使用RAM、FIFO緩存的方法完成異步時鐘域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最常用的緩存單元是DPRAM,在輸入端口使用上級時鐘寫數(shù)據(jù),在輸出端口使用本級時鐘讀數(shù)據(jù),這樣就非常方便的完成了異步時鐘域之間的數(shù)據(jù)交換。
2. 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口同步是否需要添加約束?
建議最好添加適當(dāng)?shù)募s束,特別是對于高速設(shè)計(jì),一定要對周期、建立、保持時間等添加相應(yīng)的約束。
這里附加約束的作用有兩點(diǎn):
a. 提高設(shè)計(jì)的工作頻率,滿足接口數(shù)據(jù)同步要求。通過附加周期、建立時間、保持時間等約束可以控制邏輯的綜合、映射、布局和布線,以減小邏輯和布線延時,從而提高工作頻率,滿足接口數(shù)據(jù)同步要求。
b. 獲得正確的時序分析報(bào)告。幾乎所有的FPGA設(shè)計(jì)平臺都包含靜態(tài)時序分析工具,利用這類工具可以獲得映射或布局布線后的時序分析報(bào)告,從而對設(shè)計(jì)的性能做出評估。靜態(tài)時序分析工具以約束作為判斷時序是否滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn),因此要求設(shè)計(jì)者正確輸入約束,以便靜態(tài)時序分析工具輸出正確的時序分析報(bào)告。
Xilinx和數(shù)據(jù)接口相關(guān)的常用約束有Period、OFFSET_IN_BEFORE、OFFSET_IN_AFTER、OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER等;Altera與數(shù)據(jù)接口相關(guān)的常用約束有Period、tsu、tH、tco等。
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