FPGA設(shè)計(jì)的八個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)詳細(xì)說明

　　1. 面積與速度的平衡與互換

　　這里的面積指一個(gè)設(shè)計(jì)消耗 FPGA/CPLD 的邏輯資源的數(shù)量，對(duì)于 FPGA 可以用消耗的 FF（觸發(fā)器）和 LUT（查找表）來衡量，更一般的衡量方式可以用設(shè)計(jì)所占的等價(jià)邏輯門數(shù)。速度指設(shè)計(jì)在芯片上穩(wěn)定運(yùn)行所能達(dá)到的最高頻率，這個(gè)頻率由設(shè)計(jì)的時(shí)序狀況來決定，以及設(shè)計(jì)滿足的時(shí)鐘要求：PAD to PAD time 、Clock Setup Time、Clock Hold Time、Clock-to-Output Delay 等眾多時(shí)序特征量密切相關(guān)。面積和速度這兩個(gè)指標(biāo)貫穿 FPGA/CPLD 設(shè)計(jì)的時(shí)鐘，是設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)價(jià)的終極標(biāo)準(zhǔn) —— 面積和速度是一對(duì)對(duì)立統(tǒng)一的矛盾體。要求一個(gè)同時(shí)具備設(shè)計(jì)面積最小、運(yùn)行頻率最高是不現(xiàn)實(shí)的。更科學(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該是在滿足設(shè)計(jì)時(shí)序要求（包括對(duì)設(shè)計(jì)頻率的要求）的前提下，占用最小的芯片面積?；蛘咴谒?guī)定的面積下，是設(shè)計(jì)的時(shí)序余量更大、頻率跑的更高。這兩種目標(biāo)充分體現(xiàn)了面積和速度的平衡的思想。作為矛盾的兩個(gè)組成部分，面積和速度的地位是不一樣的。相比之下，滿足時(shí)序、工作頻率的要求更重要一些，當(dāng)兩者沖突時(shí)，采用速度優(yōu)先的準(zhǔn)則。從理論上講，如果一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序余量較大，所能跑的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，那么就通過功能模塊的復(fù)用來減少整個(gè)設(shè)計(jì)消耗的芯片面積，這就是用速度的優(yōu)勢(shì)換取面積的節(jié)約。反之，如果一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)序要求很高，普通方法達(dá)不到設(shè)計(jì)頻率，那么一般可以通過將數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，并行復(fù)制多個(gè)操作模塊，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)采取乒乓操作和串并轉(zhuǎn)換的思想運(yùn)行。

　　2. 硬件原則

　　硬件原則主要針對(duì) HDL 代碼編寫而言：Verilog 是采用了 C 語言形式的硬件的抽象，它的本質(zhì)作用在于描述硬件，它的最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果是芯片內(nèi)部的實(shí)際電路。所以評(píng)判一段 HDL 代碼的優(yōu)劣的最終標(biāo)準(zhǔn)是：其描述并實(shí)現(xiàn)的硬件電路的性能，包括面積和速度兩個(gè)方面。評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)計(jì)的代碼水平較高，僅僅是說這個(gè)設(shè)計(jì)是由硬件想 HDL 代碼這種表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)換更加流暢、合理。而一個(gè)設(shè)計(jì)最終性能，在更大程度上取決于設(shè)計(jì)工程師所構(gòu)想的硬件實(shí)現(xiàn)方案的效率以及合理性。（HDL 代碼僅僅是硬件設(shè)計(jì)的表達(dá)形式之一）初學(xué)者片面追求代碼的整潔、簡(jiǎn)短，是錯(cuò)誤的，是與 HDL 的標(biāo)準(zhǔn)背道而馳的。正確的編碼方法，首先要做到對(duì)所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路胸有成竹，對(duì)該部分的硬件的結(jié)構(gòu)和連接十分清晰，然后再用適當(dāng)?shù)?HDL 語句表達(dá)出來即可。另外，Verilog 作為一種 HDL 語言，是分層次的。系統(tǒng)級(jí) -- 算法級(jí) -- 寄存器傳輸級(jí) -- 邏輯級(jí) -- 門級(jí) -- 開關(guān)級(jí)。構(gòu)建優(yōu)先級(jí)樹會(huì)消耗大量的組合邏輯，所以如果能夠使用 case 的地方，盡量使用 case 代替 if.。。..else.。

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