10年FPGA开发经验工程师谈设计技巧

11、同步时序设计注意事项：异步时钟域的数据转换；组合逻辑电路的设计方法；同步时序电路的时钟设计；同步时序电路的延迟。

同步时序电路的延迟****常用的设计方法是用分频或者倍频的时钟或者同步计数器完成所需的延迟，对比较大的和特殊定时要求的延时，一般用高速时钟产生一个计数器，根据计数产生延迟;对于比较小的延迟，可以用D触发器打一下，这样不仅可以使信号延时了一个时钟周期，而且完成了信号与时钟的初次同步。在输入信号采样和增加时序约束余量中使用。另外，还有用行为级方法描述延迟，如“#5 a《=4’0101;”这种常用于仿真测试激励，但是在电路综合时会被忽略，并不能起到延迟作用。

Verilog 定义的reg型，不一定综合成寄存器。在Verilog代码中****常用的两种数据类型是wire和reg型，一般来说，wire型指定的数据和网线通过组合逻辑实现，而reg型指定的数据不一定就是用寄存器实现。

12、常用设计思想与技巧

(1)乒乓操作;

(2)串并转换;

(3)流水线操作;

(4)异步时钟域数据同步，是指如何在两个时钟不同步的数据域之间可靠地进行数据交换的问题。数据时钟域不同步主要有两种情况：两个域的时钟频率相同，但是相差不固定，或者相差固定但是不可测，简称为同频异相问题。两个时钟频率根本不同，简称异频问题。

两种不推荐的异步时钟域操作方法：一种是通过增加Buffer或者其他门延时来调整采样;另一种是盲目使用时钟正负沿调整数据采样。

13、模块划分基本原则：

(1)对每个同步时序设计的子模块的输出使用寄存器(用寄存器分割同步时序模块原则)；

(2)将相关逻辑和可以复用的逻辑划分在同一模块内(呼应系统原则)；

(3)将不同优化目标的逻辑分开；

(4)将送约束的逻辑归到同一模块；

(5)将存储逻辑独立划分成模块；

(6)合适的模块规模；

(7)顶层模块****好不进行逻辑设计。

14、组合逻辑的注意事项

(1)避免组合逻辑反馈环路(容易毛刺、振荡、时序违规等)。

解决：A、牢记任何反馈回路必须包含寄存器;B、检查综合、实现报告的warning信息，发现反馈回路(combinaTIonal loops)后进行相应修改。

(2)替换延迟链。

解决：用倍频、分频或者同步计数器完成。

(3)替换异步脉冲产生单元(毛刺生成器)。

解决：用同步时序设计脉冲电路。

(4)慎用锁存器。

解决：A、使用完备的if…else语句;B、检查设计中是否含有组合逻辑反馈环路;C、对每个输入条件，设计输出操作，对case语句设置default 操作。特别是在状态机设计中，****好有一个default的状态转移，而且每个状态****好也有一个default的操作。D、如果使用case语句时，特别是在设计状态机时，尽量附加综合约束属性，综合为完全条件case语句。

小技巧：仔细检查综合器的综合报告，目前大多数的综合器对所综合出的latch都会报“warning”，通过综合报告可以较为方便地找出无意中生成的latch。

15、时钟设计的注意事项

（1）同步时序电路推荐的时钟设计方法：

时钟经全局时钟输入引脚输入，通过FPGA内部专用的PLL或DLL进行分频/倍频、移相等调整与运算，然后经FPGA内部全局时钟布线资源驱动到达芯片内所有寄存器和其他模块的时钟输入端信盈达嵌入式企鹅要妖气呜呜吧久零就要。

FPGA设计者的5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。

对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：

1. 仿真：Modelsim， Quartus II(Simulator Tool)

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

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

4. 调试：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer， Virtual JTAG， Assignment Editor)

5. 验证：Modelsim， Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。

练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：

1. 通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。

2. 通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。

3. 通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。

1. 搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。

2. 全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。

3. 把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。

FPGA 设计者的这5项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能****有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自学自练，自我提高。

市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对 FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。

对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。

****后总结几点：

（1）看代码，建模型

只有在脑海中建立了一个个逻辑模型，理解FPGA内部逻辑结构实现的基础，才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的，才能理解顺序执行语言和并行执行语言的设计方法上的差异。在看到一段简单程序的时候应该想到是什么样的功能电路。

（2）用数学思维来简化设计逻辑

学习FPGA不仅逻辑思维很重要，好的数学思维也能让你的设计化繁为简，所以啊，那些看见高数就头疼的童鞋需要重视一下这门课哦。举个简单的例子，比如有两个32bit的数据X[31:0]与Y[31:0]相乘。当然，无论Altera还是Xilinx都有现成的乘法器IP核可以调用，这也是****简单的方法，但是两个32bit的乘法器将耗费大量的资源。那么有没有节省资源，又不太复杂的方式来实现呢?我们可以稍做修改：

将X[31:0]拆成两部分X1[15:0]和X2[15:0]，令X1[15:0]=X[31:16]，X2[15:0]=X[15:0]，则X1左移16位后与X2相加可以得到X;同样将Y[31:0]拆成两部分Y1[15:0]和Y2[15:0]，令 Y1[15:0]=Y[31:16]，Y2[15:0]=Y[15:0]，则Y1左移16位后与Y2相加可以得到Y;则X与Y的相乘可以转化为X1和X2 分别与Y1和Y2相乘，这样一个32bit*32bit的乘法运算转换成了四个16bit*16bit的乘法运算和三个32bit的加法运算。转换后的占用资源将会减少很多，有兴趣的童鞋，不妨综合一下看看，看看两者差多少。

（3）时钟与触发器的关系

“时钟是时序电路的控制者” 这句话太经典了，可以说是FPGA设计的圣言。FPGA的设计主要是以时序电路为主，因为组合逻辑电路再怎么复杂也变不出太多花样，理解起来也不没太多困难。但是时序电路就不同了，它的所有动作都是在时钟一拍一拍的节奏下转变触发，可以说时钟就是整个电路的控制者，控制不好，电路功能就会混乱。

打个比方，时钟就相当于人体的心脏，它每一次的跳动就是触发一个 CLK，向身体的各个器官供血，维持着机体的正常运作，每一个器官体统正常工作少不了组织细胞的构成，那么触发器就可以比作基本单元组织细胞。时序逻辑电路的时钟是控制时序逻辑电路状态转换的“发动机”，没有它时序逻辑电路就不能正常工作，因为时序逻辑电路主要是利用触发器存储电路的状态，而触发器状态变换需要时钟的上升或下降沿!由此可见时钟在时序电路中的核心作用!