數(shù)字電路設(shè)計(jì)需要注意12個(gè)細(xì)節(jié)

這是一個(gè)在邏輯設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)列表，由此引起的錯(cuò)誤常使得設(shè)計(jì)不可靠或速度較慢，為了提高設(shè)計(jì)性能和提高速度的可靠性，必須確定設(shè)計(jì)通過(guò)所有的這些檢查。

可靠性

1. 為時(shí)鐘信號(hào)選用全局時(shí)鐘緩沖器BUFG！

不選用全局時(shí)鐘緩沖器的時(shí)鐘將會(huì)引入偏差。

2. 只用一個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)寄存數(shù)據(jù)

使用時(shí)鐘的兩個(gè)沿是不可靠的，因?yàn)闀r(shí)鐘的某沿或者兩個(gè)沿會(huì)漂移。如果時(shí)鐘有漂移而且你只使用了時(shí)鐘的一個(gè)沿，你就降低了時(shí)鐘邊沿漂移的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)問(wèn)題可以這樣來(lái)解決：就是允許CLKDLL自動(dòng)糾正時(shí)鐘的占空比，以達(dá)百分之五十的占空比。否則強(qiáng)烈建議只使用一個(gè)時(shí)鐘沿。
?

3. 除了用CLKDLL或DCM產(chǎn)生的時(shí)鐘外不要在內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘

這包括產(chǎn)生門(mén)控時(shí)鐘和分頻時(shí)鐘。作為替代，可以建立時(shí)鐘使能或使用CLKDLL或DCM來(lái)產(chǎn)生不同的時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于一個(gè)純同步設(shè)計(jì)，建議在任何可能的情況下只使用一個(gè)時(shí)鐘。

4. 不要在內(nèi)部產(chǎn)生異步的控制信號(hào)（例如復(fù)位信號(hào)或者置位信號(hào)）

內(nèi)部產(chǎn)生的異步控制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生毛刺，作為替代，可以產(chǎn)生一個(gè)同步的復(fù)位/置位信號(hào)。要比需要作用的時(shí)刻提前一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行這個(gè)異步信號(hào)的同步。

5. 不要使用沒(méi)有相位關(guān)系的多個(gè)時(shí)鐘

也許并不總能避免這個(gè)條件，在這些情況下確定已使用了適當(dāng)?shù)耐诫娐穪?lái)跨越時(shí)鐘域，并已適當(dāng)?shù)丶s束了跨越時(shí)鐘域的路徑。

6. 不要使用內(nèi)部鎖存器

內(nèi)部鎖存器會(huì)混淆時(shí)序，而且常常會(huì)引入另外的時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)部鎖存器在透明門(mén)打開(kāi)時(shí)可以被看成是組合邏輯，但在門(mén)被鎖存時(shí)可以被看成是同步元件，這將會(huì)混淆時(shí)序分析。內(nèi)部鎖存器常常會(huì)引入門(mén)控時(shí)鐘，門(mén)控時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生毛刺使得設(shè)計(jì)變得不可靠。

性能

1. 邏輯級(jí)的時(shí)延不要超過(guò)時(shí)序預(yù)算的百分之五十

每個(gè)路徑邏輯級(jí)時(shí)延可以在邏輯級(jí)時(shí)序報(bào)告或布局后時(shí)序報(bào)告中找到，詳細(xì)分析了每個(gè)路徑之后，時(shí)序分析器將生成每個(gè)路徑時(shí)延的統(tǒng)計(jì)量，檢查一下總共的邏輯級(jí)時(shí)延，確保不超過(guò)時(shí)序預(yù)算的百分之五十。

2. IOB 寄存器

IOB寄存器提供了最快的時(shí)鐘到輸出和輸入到時(shí)鐘的時(shí)延。首先，有一些限制。

對(duì)于輸入寄存器在從管腳到寄存器間不能有組合邏輯存在。對(duì)于輸出寄存器，在寄存器和管腳之間也不能有組合邏輯存在。對(duì)于三態(tài)輸出，在IOB中的所有的寄存器必須使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，而且IOB三態(tài)寄存器必須低電平有效才能放到IOB中（三態(tài)緩沖器低電平有效，所以在寄存器和三態(tài)緩沖器之間不需要一個(gè)反相器）。

必須使軟件能夠選用IOB寄存器，可以設(shè)置全局實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)：為輸入、輸出或輸入輸出選擇IOB寄存器。缺省值為關(guān) off。

你也可在綜合工具或在用戶(hù)約束文件UCF中設(shè)定，使得能夠使用IOB寄存器。句法為: INST IOB = TRUE;

3. 對(duì)于關(guān)鍵的輸出選擇快速轉(zhuǎn)換速率

可以為L(zhǎng)VCMOS和LVTTL電平選擇轉(zhuǎn)換速率，快速的轉(zhuǎn)換速率會(huì)降低輸出時(shí)延，但會(huì)增加地彈，所以必須在仔細(xì)考慮的基礎(chǔ)之上選擇快速轉(zhuǎn)換速率。

4. 流水邏輯

如果你的設(shè)計(jì)允許增加延遲，對(duì)組合邏輯采用流水操作可以提高性能。在Xilinx的FPGA中有大量的寄存器，對(duì)每一個(gè)四輸入LUT有一個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器，在犧牲延遲的情況下，利用這些寄存器可以增加數(shù)據(jù)吞吐量。

5. 為四輸入的LUT結(jié)構(gòu)進(jìn)行代碼優(yōu)化

記住每一個(gè)查找表可以建立一個(gè)四輸入的組合邏輯函數(shù)。如果需要更大的功能，可根據(jù)“四輸入組合邏輯”這個(gè)特性，分析、優(yōu)化實(shí)現(xiàn)該功能所需的查找表的數(shù)目。

6. 使用Case語(yǔ)句而不是if－then－else語(yǔ)句

復(fù)雜的if-then-else語(yǔ)句通常會(huì)生成優(yōu)先級(jí)譯碼邏輯，這將會(huì)增加這些路徑上的組合時(shí)延（現(xiàn)在大部分綜合工具，可以把if－else的優(yōu)先級(jí)邏輯層次打平）。用來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜邏輯的Case語(yǔ)句通常會(huì)生成不會(huì)有太多時(shí)延的并行邏輯。對(duì)于Verilog，可以使用約束parallel_case。

7. 多用Xilinx自帶Core generate

Core generate針對(duì) Xilinx的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，許多塊都可以允許用戶(hù)配置，包括大小、寬度和流水延遲。查看設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑，是否可以在核生成器中產(chǎn)生一個(gè)核來(lái)提高關(guān)鍵路徑性能。避免由代碼來(lái)推斷，又麻煩，又不可靠。

8. FSM的設(shè)計(jì)限制在一個(gè)層次中

為了允許綜合工具完全優(yōu)化FSM，它必須在它自己的塊中優(yōu)化。如果不是這樣的話(huà)，這將使得綜合工具將FSM邏輯和它周?chē)倪壿嬕黄饍?yōu)化。FSM不能包括任何的算術(shù)邏輯、數(shù)據(jù)通路邏輯或者其它與狀態(tài)機(jī)不相關(guān)的組合邏輯。

9. 使用兩個(gè)進(jìn)程或always塊的有限狀態(tài)機(jī)

下一個(gè)狀態(tài)和輸出譯碼邏輯必須放在獨(dú)立的進(jìn)程或always塊中，這將不允許綜合工具在輸出和下一個(gè)狀態(tài)譯碼邏輯之間共享資源。便于代碼維護(hù)。

10. 使用一位有效編碼（one-hot、gray）FSM

一位有效編碼通常會(huì)在富含寄存器的FPGA中提供最高性能的狀態(tài)機(jī)。

11. 為每一個(gè)葉級(jí)（leaf-level）塊提供寄存輸出

葉級(jí)塊是可以推論的邏輯塊，而結(jié)構(gòu)級(jí)(structural-level)的塊僅例化較底層的塊，這樣就建立了層次。如果葉級(jí)塊是寄存輸出，則可使綜合工具保留層次。這可使分析這些代碼的靜態(tài)時(shí)序變得比較容易。對(duì)module與module之間的邊界信號(hào)（用時(shí)鐘同步）進(jìn)行寄存輸出，可以使得各個(gè)塊之間有確定的同步時(shí)序關(guān)系。

12. 不同的計(jì)數(shù)器風(fēng)格

二進(jìn)制計(jì)數(shù)器是非常慢的。如果二進(jìn)制計(jì)數(shù)器是關(guān)鍵路徑，可以考慮使用不同風(fēng)格的計(jì)數(shù)器LFSR、Pre-scalar或Johnson。

13. 設(shè)計(jì)必須被層次化的分成不同的功能塊

首先是較頂層的功能塊，然后是較底層的塊，也應(yīng)該包括特定技術(shù)的塊。設(shè)計(jì)層次化使得設(shè)計(jì)更可讀、更易調(diào)試、更易復(fù)用。

14. 高扇出網(wǎng)絡(luò)需要復(fù)制寄存器

可以通過(guò)XST或者synplify pro等綜合工具的綜合選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行控制。

15. 利用四種全局約束來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全局的約束

周期（對(duì)每個(gè)時(shí)鐘），輸入偏移、輸出偏移、管腳到管腳的時(shí)間。也許會(huì)有針對(duì)多周期路徑、失敗路徑和關(guān)鍵路徑的其它約束，但是必須從這四個(gè)全局約束開(kāi)始。