從算法到RTL實現(xiàn)的問題

針對近日技術交流群里討論的算法與RTL實現(xiàn)問題，寫篇文章，做一次總結。

微信公眾號《FPGA算法工程師》技術交流群里，交流氣氛十分熱烈，大家針對學習和工作中遇到的難點進行交流和討論，可謂受益匪淺。

新手遇到的是新問題，對于有相關經驗的工程師而言，可能都遇到過。

作為算法、FPGA和IC等集中交流的平臺，群賢畢至，集思廣益，解決大家對相關知識和技術上的困惑，讓問題變得更簡單。

群友們提到一個很多人都會遇到的現(xiàn)實問題：

“把一個算法用RTL實現(xiàn)，有哪些比較科學的步驟？第一步干什么？第二步干什么？第三步干什么……？”

這個問題，對于FPGA、ASIC等邏輯電路設計人員來講，是非常重要的問題。

通常來講，我們做算法實現(xiàn)，需要有對標的算法模型，作為驗證硬件邏輯設計是否正確的參考依據。

我們首先要根據實際需求，針對某方面的信號處理問題，做一個鏈路級或模塊級快速仿真驗證設計。最常見的比如通過MATLAB/C/C++等軟件環(huán)境進行設計和驗證。

軟件環(huán)境可以快速搭建仿真模型，并且進行驗證，為硬件RTL實現(xiàn)提供參考依據。在具體算法設計時，必須考慮數據流的處理過程：數據從哪里來，數據需要經過哪些步驟處理，處理之后送到哪里。

接下來，我們需要將MATLAB、C++等算法模型由浮點轉為定點，這個工作可以做好之后再去做邏輯設計，也可以省略，但一定要清楚是如何定點的。

做好算法設計后，需要進行性能評估，看是否符合預期要求，不符合則進一步優(yōu)化，或者換一種設計方法。

在做邏輯實現(xiàn)之前，還有一個重要工作，就是對算法處理步驟進行一步一步分解，解決如何從a到b再到c的過程，落實到加減乘除。

當算法實際滿足要求后，則考慮邏輯實現(xiàn)的問題。

首先，建議采用自頂向下的設計思想，進行系統(tǒng)架構設計，明確整個處理過程，需要執(zhí)行哪些功能，涉及哪些接口。

接下來，選芯片器件，評估資源占用情況，評估需要用多少乘法器，除法器，DSP，BRAM，GT等。

其次，評估處理時間要求，是否需要實時性處理，給予多少時間來處理，進而評估所需時鐘頻率，以及是否需要存在多個時鐘域處理。

對于信號處理系統(tǒng)，有的需要實時處理，有的則不需要實時處理。最具挑戰(zhàn)的無疑是實時性要求高的通信、雷達和圖像等領域的信號處理問題。

首先解決信號處理中的算法問題，為實現(xiàn)某一處理過程，需要分哪些步驟，最終得到什么樣的結果。

為了實現(xiàn)實時處理，邏輯電路該怎么去設計？

于是，算法問題既要研究如何處理數據流的問題，也要研究如何快速處理的問題。

電路實現(xiàn)時，則需要考慮資源消耗、并行處理結構，流水處理和控制邏輯。

如果有處理速率要求，則需考慮并行+流水的處理方式，并考慮單時鐘下的數據位寬。

同時，務必明確數據流向，前后級接口，功能模塊內部RTL邏輯處理，細化到每個時鐘應該怎么處理，step by step。

以上都比較明確后，可以著手進行RTL設計。RTL設計的核心，便是寄存器、RAM和FSM的靈活使用。其中，F(xiàn)SM占據了大部分功能。通常情況下，我們不只是操作純數據流，而是在各種控制信號和參數下進行設計，此時涉及各種FSM和選擇器設計，并注意是否需要進行流控。

RTL代碼設計完成之后，進行TestBench平臺搭建和仿真驗證是必要的，特別是對于復雜功能模塊或系統(tǒng)設計而言。經驗再豐富的工程師，也不敢保證，不經過仿真驗證直接上板一定沒問題。

驗證也是一門重要的技術，這也是為什么存在IC驗證崗位，目的就是為芯片成功流片嚴格把關，一旦流片失敗，損失重大，影響深遠。

FPGA的開發(fā)設計，同樣需要進行仿真驗證。通常，我們可以通過算法鏈路產生所需激勵源，通過TestBench對功能模塊進行驗證，并進行結果對比分析。重點解決兩個問題：

一是驗證邏輯時序是否存在問題，比如信號是否對齊，有無接口處理不當導致數據丟失等。

二是信號處理過程是否得當，數據位寬、精度等是否符合算法要求。

解決功能性問題后，就需要考慮性能問題。定點是否合適，與浮點算法性能的差異有多大，或者軟件中的定點處理與邏輯電路定點處理，誤差有多大。在不斷驗證過程中，優(yōu)化算法設計和邏輯電路設計。

剩下的邏輯綜合、實現(xiàn)、比特流生成和調試等環(huán)節(jié)，屬于常規(guī)操作，但對于邏輯綜合、實現(xiàn)中的時序約束和相關策略設置，也是十分重要的。

最后，用一張圖總結如何從算法到RTL實現(xiàn)。

本文只是粗略地分析了算法到RTL代碼實現(xiàn)之間的邏輯關系，以及從實現(xiàn)角度，我們應該怎么去著手。

具體到某個信號處理算法實現(xiàn)時，必須清楚整個信號處理過程，對算法一步一步分解，再對信號流、定點和接口進行設計。

做任何事情之前，先謀劃布局，磨刀不誤砍柴工，扎扎實實做好每一步，功到自然成。

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審核編輯 ：李倩