详解FPGA的四大设计要点
发布者：jackzhang
时间：2020-02-15 14:00:14
FPGA的用处比我们平时想象的用处更广泛，原因在于其中集成的模块种类更多，而不仅仅是原来的简单逻辑单元（LE）。
早期的FPGA相对比较简单，所有的功能单元仅仅由管脚、内部buffer、LE、RAM构建而成，LE由LUT（查找表）和D触发器构成，RAM也往往容量非常小。现在的FPGA不仅包含以前的LE,RAM也更大更快更灵活，管教IOB也更加的复杂，支持的IO类型也更多，而且内部还集成了一些特殊功能单元，包括：DSP:实际上就是乘加器，FPGA内部可以集成多个乘加器，而一般的DSP芯片往往每个core只有一个。换言之，FPGA可以更容易实现多个DSP core功能。在某些需要大量乘加计算的场合，往往多个乘加器并行工作的速度可以远远超过一个高速乘加器。SERDES:高速串行接口。将来PCI-E、XAUI、HT、S-ATA等高速串行接口会越来越多。有了SERDES模块，FPGA可以很容易将这些高速串行接口集成进来，无需再购买专门的接口芯片。CPU core:分为2种，软core和硬core.软core是用逻辑代码写的CPU模块，可以在任何资源足够的FPGA中实现，使用非常灵活。而且在大容量的FPGA中还可以集成多个软core,实现多核并行处理。硬core是在特定的FPGA内部做好的CPU core,优点是速度快、性能好，缺点是不够灵活。不过，FPGA还是有缺点。对于某些高主频的应用，FPGA就无能为力了。现在虽然理论上FPGA可以支持的500MHz,但在实际设计中，往往200MHz以上工作频率就很难实现了。对于FPGA来说，要尽可能避免异步设计，尽可能采用同步设计。
同步设计的第一个关键，也是关键中的关键，就是时钟树。一个糟糕的时钟树，对FPGA设计来说，是一场无法弥补的灾难，是一个没有打好地基的大楼，崩溃是必然的。
3）跨时钟域的信号一定要做同步处理。对于控制信号，可以采用双采样；对于数据信号，可以采用异步fifo.需要注意的是，异步fifo不是万能的，一个异步fifo也只能解决一定范围内的频差问题。
4）尽可能将FPGA内部的PLL、DLL利用起来，这会给你的设计带来大量的好处。
5）对于特殊的IO接口，需要仔细计算Tsu、Tco、Th,并利用PLL、DLL、DDIO、管脚可设置的delay等多种工具来实现。简单对管脚进行Tsu、Tco、Th的约束往往是不行的。可能说的不是很确切。这里的时钟树实际上泛指时钟方案，主要是时钟域和PLL等的规划，一般情况下不牵扯到走线时延的详细计算（一般都走全局时钟网络和局部时钟网络，时延固定），和ASIC中的时钟树不一样。对于ASIC,就必须对时钟网络的设计、布线、时延计算进行仔细的分析计算才行。FSM:有限状态机。这个可以说是逻辑设计的基础。几乎稍微大一点的逻辑设计，几乎都能看得到FSM.FSM分为moore型和merly型，moore型的状态迁移和变量无关，merly型则有关。实际使用中大部分都采用merly型。 always @（ posedge clk or posedge rst ） begin if （ rst == 1'b1 ） FSM_status <= ……； else case（ FSM_status ） ……； endcase end
简单的说，单进程FSM就是把所有的同步、异步处理都放入一个always中。
优点：
1）看起来比较简单明了，写起来也不用在每个case分支或者if分支中写全对各个信号和状态信号的处理。也可以简单在其中加入一些计数器进行计数处理。1）优化效果不佳。由于同步、异步放在一起，编译器一般对异步逻辑的优化效果最好。单进程FSM把同步、异步混杂在一起的结果就是导致编译器优化效果差，往往导致逻辑速度慢、资源消耗多。2）某些时候需要更快的信号输出，不必经过D触发器锁存，这时单进程FSM的处理就比较麻烦了。 always @（ posedge clk or posedge rst ） begin if （ rst == 1'b1 ） FSM_status_current <= …； else FSM_status_current <= FSM_status_next;
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