FPGA实战开发技巧（13）

5.7 FPGA设计的IP和算法应用

基于IP的设计已成为目前FPGA设计的主流方法之一，本章首先给出IP的定义，然后以FFT IP核为例，介绍赛灵思IP核的应用。

5.7.1 IP核综述

IP(Intelligent Property) 核是具有知识产权核的集成电路芯核总称，是经过反复验证过的、具有特定功能的宏模块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中。到了SOC 阶段，IP核设计已成为ASIC电路设计公司和FPGA提供商的重要任务，也是其实力体现。对于FPGA 开发软件，其提供的IP核越丰富，用户的设计就越方便，其市场占用率就越高。目前，IP核已经变成系统设计的基本单元，并作为独立设计成果被交换、转让和销售。

从IP核的提供方式上，通常将其分为软核、硬核和固核这3类。从完成IP核所花费的成本来讲，硬核代价最大；从使用灵活性来讲，软核的可复用使用性最高。( 这部分内容前面已经阐述，这里再重申一下)

软核(Soft IP Core)

软核在EDA设计领域指的是综合之前的寄存器传输级(RTL) 模型；具体在FPGA设计中指的是对电路的硬件语言描述，包括逻辑描述、网表和帮助文档等。软核只经过功能仿真，需要经过综合以及布局布线才能使用。其优点是灵活性高、可移植性强，允许用户自配置；缺点是对模块的预测性较低，在后续设计中存在发生错误的可能性，有一定的设计风险。软核是IP 核应用最广泛的形式。

固核(Firm IP Core)

固核在EDA设计领域指的是带有平面规划信息的网表；具体在FPGA设计中可以看做带有布局规划的软核，通常以RTL 代码和对应具体工艺网表的混合形式提供。将RTL描述结合具体标准单元库进行综合优化设计，形成门级网表，再通过布局布线工具即可使用。和软核相比，固核的设计灵活性稍差，但在可靠性上有较大提高。目前，固核也是IP核的主流形式之一。

硬核(Hard IP Core)

硬核在EDA 设计领域指经过验证的设计版图；具体在FPGA 设计中指布局和工艺固定、经过前端和后端验证的设计，设计人员不能对其修改。不能修改的原因有两个：首先是系统设计对各个模块的时序要求很严格，不允许打乱已有的物理版图；其次是保护知识产权的要求，不允许设计人员对其有任何改动。IP 硬核的不许修改特点使其复用有一定的困难，因此只能用于某些特定应用，使用范围较窄。

IP Core生成器(Core Generator) 是Xilinx FPGA设计中的一个重要设计工具，提供了大量成熟的、高效的IP Core为用户所用，涵盖了汽车工业、基本单元、通信和网络、数字信号处理、FPGA特点和设计、数学函数、记忆和存储单元、标准总线接口等8 大类，从简单的基本设计模块到复杂的处理器一应俱全。配合赛灵思网站的IP中心使用，能够大幅度减轻设计人员的工作量，提高设计可靠性。

Core Generator最重要的配置文件的后缀是xco，既可以是输出文件又可以是输入文件，包含了当前工程的属性和IP Core的参数信息。

5.7.2 FFT IP核应用示例

ISE提供了FFT/IFFT的IP Core，可以完成实数、复数信号的FFT以及IFFT运算。FFT的IP Core提供三种结构，分别为：
(1) 流水线，Streaming I/O结构：允许连续的数据处理；
(2) 基4，Burst I/O结构：提供数据导入／导出阶段和处理阶段。此结构拥有较小的结构，但转换时间较长；
(3) 基2，Burst I/O结构：使用最少的逻辑资源，同Radix-4相同，提供两阶段的过程。其配置界面有3页，第一页如图5-57所示，主要用于配置实现结构；第二页配置数据位宽以及数据处理操作；第三页配置数据缓存空间。

图5-57 FFT IP core的用户界面

在实际硬件操作中，模块的执行速度是很重要的参数，所以本文分析第一种结构，即流水线Streaming I/O结构，以进行连续的数据处理。在进行当前帧的N点数据时，可加载下一帧的N点数据，同时输出前一帧的N点数据。此结构由多个基2的蝶形处理单元构成，每个单元都有自己的存储单元来存储输入和中间处理的数据，其结构如图5-58所示。

图5-58 FFT模块的流水线，Streaming I/O结构

FFT的计算单元具有丰富的控制信号，其详细说明见下文。

XN_RE、XN_IM ：输入操作数，分别为实部和虚部，以2 的补码输入。在使用时应当确定其位宽。
START ：FFT开始信号，高有效。当此信号变高时，开始输入数据，随后直接进行FFT 转换操作和数据输出。一个START脉冲，允许对一帧进行FFT 转换。如果每N 个时钟有一个START脉冲或者START始终为高，，则都可以连续进行FFT。如果在最初的START前，还没有NFFT_WE，FWD_INV_WE，SCALE_SCH_WE信号，则START变高后就使用这些信号的默认值。由于此IP Core支持非连续的数据流，因此在任何时间输入START，即可开始数据的加载。当加载N个数据结束后，就开始FFT转换运算。
UNLOAD ：对于Burst I/O结构，此信号将开始输出处理的结果。对于流水线结构和比特逆序输出的情况，此端口不是必要的。
NFFT ：此端口只对实时可配置应用时有用。
NFFT_WE ：此端口是NFFT 端口的使能信号。
FWD_INV ：用以指示IP Core为FFT还是IFFT，其等于1时IP Core进行FFT运算，否则进行IFFT 运算。至于采用哪种转换运算是可以逐帧变化的。这一端口给FFT的使用提供了很大的方便。
FWD_INV_WE ：作为FWD_INV端口的使能信号。
SCALE_SCH：(1) 在IP Core设计时，如果选择在计算过程中进行中间数据的缩减，那么此信号才可起作用；(2) 输入的位宽等于2*ceil(NFFT/2)，其中NFFT = log2(point size)。(3) 流水线结构中，将每个基2的蝶形处理单元视为一个阶段，每个阶段进行一次数据的缩减，缩减的比例以此输入中对应阶段的两比特表示。(4) 每阶段的两比特数可以是3,2,1或0 ：它们表示了数据所需要移动的比特数。
SCALE_SCH_WE ：作为SCALE_SCH的使能信号。
SCLR ：可选端口。
Reset ：重置信号端口。Reset=1时，所有工作都停止且初始化。但内部的帧缓存保留其内容。
CE ：可选端口。
CLK ：输入时钟。
XK_RE，XK_IM ：输出数据总线，以2 的补码输出。SCALE_SCH_WE有效时，输出位宽等于输入；否则，输出位宽= 输入位宽+NFFT+1。
XN_INDEX ：位宽等于log2(point size)，输入数据的下标。
XK_INDEX ：位宽等于log2(point size)，输出数据的下标。
RFD ：数据有效信号，高有效，在加载数据时为高电平。
BUSY ：IP Core 工作状态的指示信号，在计算FFT 转换时为高电平。
DV ：数据有效指示信号，当输出端口存在有效数据时变高。
EDONE ：高有效。在DONE 信号变高的前一个时钟变为高电平。
DONE ：高有效。在FFT 完成后变高，且只存在一个时钟。在DONE 变高后，IP Core开始输出计算结果。
BLK_EXP ：当使用Burst I/O 结构时可用，若选择流水线，则此端口无效
OVFLO ：算法溢出指示。在数据输出时，如每帧有溢出，此信号变高。在每帧开始处，此信号重置。
例5.7.1使用IP Core实例化一个16点、位宽为16位的FFT 模块。
IP Core 直接生成的乘法器的Verilog 模块接口为：
module fft16(sclr, fwd_inv_we, rfd, start, fwd_inv, dv, scale_sch_we, done, clk, busy, edone, scale_sch,xn_re, xk_im, xn_index, xk_re, xn_im, xk_index);
input sclr , fwd_inv_we, start, fwd_inv, scale_sch_we, clk;
input [3 : 0] scale_sch;
input [15 : 0] xn_re;
output rfd, dv, done, busy, edone;
output [15 : 0] xk_im;
output [3 : 0] xn_index;
output [15 : 0] xk_re;
input [15 : 0] xn_im;
output [3 : 0] xk_index;
……
endmodule
在使用时，直接调用mulTIply 模块即可，如
module fft16(sclr, fwd_inv_we, rfd, start, fwd_inv, dv, scale_sch_we, done, clk, busy,
edone, scale_sch, xn_re, xk_im, xn_index, xk_re, xn_im, xk_index);
input sclr , fwd_inv_we, start, fwd_inv, scale_sch_we, clk;
input [3 : 0] scale_sch;
input [15 : 0] xn_re;
output rfd, dv, done, busy, edone;
output [15 : 0] xk_im;
output [3 : 0] xn_index;
output [15 : 0] xk_re;
input [15 : 0] xn_im;
output [3 : 0] xk_index;
fft fft1( // 调用FFT 的IPCore
.sclr(sclr), .fwd_inv_we(fwd_inv_we), .rfd(rfd), .start(start), .fwd_inv(fwd_inv),
.dv(dv), .scale_sch_we(scale_sch_we), .done(done), .clk(clk), .busy(busy),
.edone(edone), .scale_sch(scale_sch), .xn_re(xn_re), .xk_im(xk_im),
.xn_index(xn_index), .xk_re(xk_re), .xn_im(xn_im), .xk_index(xk_index));
endmodule

经过仿真测试得到的功能波形图如图5-59所示：

图5-59 FFT的IP core仿真波形