VHDL设计风格和实现课件

1、VHDL设计风格和实现第1页，共51页。内容概述一、同步设计二、速度三、资源四、其他第2页，共51页。一、同步设计第3页，共51页。什么是同步设计？同步设计：上游数据到下游逻辑单元的传递是通过时钟来同步的。- 只要能满足时延要求，就可以确保下游逻辑单元能正确采样到上游数据。异步设计：上游数据发生变化的时机是不确定的，甚至会出现中间态。- 下游逻辑对上游数据的采样是不确定的，会发生数据传递的错误。第4页，共51页。为什么要做同步设计 ?两年前我做的FPGA设计，现在却不能工作。FPGA本身有什么变化吗？- 如果采用的是异步设计，能否工作有很多无法控制的随机因素。我的设计原来可以工作，但将FPGA

2、重新布线后，就不行了。怎么回事？- 异步设计也许在特定布线下能工作，但布线改变后就不行了。很危险吧？我的设计通过了时间仿真，但上板调试时不干活。时间仿真对不对？- 对于异步设计，通过了时间仿真也不一定能正常工作。要小心，时钟信号可别产生毛刺啊。要小心，异步复位可别有毛刺啊。快速FPGA中的触发器会对非常窄的毛刺信号作出反应。- 异步设计中，设计者老要想着去消除时钟、异步复位信号以及锁存器使能端的毛刺，但这一点在异步设计中很困难，甚至不可能。异步设计可能会产生以下问题：同步设计的一个简单原则: 永远不要将组合逻辑产生的信号用作时钟、异步复位/置位。第5页，共51页。门产生的时钟有问题此例中，计数

3、终点信号会产生毛刺，使用该信号作时钟会引起问题。- MSB布线更短，信号变化先到达与门。与门会“感知”到1111的中间态。由于与门为电平敏感，会输出高电平的毛刺，从而引起寄存器的误动作。布线更短此处会产生毛刺，并且与计数器的时钟无关MSB0111 1000 计数器的操作为：0111 1111 1000 因为MSB更快计数器flopMSB此处的与门为电平敏感第6页，共51页。相应的VHDL代码signal Counter: std_logic_vector(3 downto 0);signal TC:std_logic;signal flop:std_logic;process(Clk)begi

4、nif rising_edge(Clk) thenCounter = Counter + 1;end if;end process;TC = 1 when Counter=“1111” else 0;-TC为组合逻辑输出process(TC)beginif rising_edge(TC) then-使用组合逻辑输出作时钟，是异步设计，禁止！flop = end if;end process;第7页，共51页。毛刺和同步设计组合逻辑的毛刺通常总是存在，难于甚至无法消除毛刺只有在异步设计中（连接到时钟、异步复位、锁存器的使能端）才存在问题在同步设计中，由于寄存器在时钟沿才会动作，只要能满足时延要求

5、，就能确保采样到稳定正确的结果毛刺无法消除，但其造成的问题却可以消除采用同步设计并达到时延要求第8页，共51页。安全同步化异步输入一例去抖动逻辑DQR异步输入系统时钟同步输入设备外围DQDQ延迟一个周期后才复位，确保D端输入脉冲至少有一个周期的宽度，没有中间态异步输入的信号变化时机和宽度不确定，有抖动（毛刺），不能直接被同步系统正确采样该逻辑确保能正确得到异步输入的上升沿。一个时钟周期内的多次电平变化被认为是抖动（毛刺），最后只得到一个上升沿。第9页，共51页。相应的VHDL代码signal AsynInput:std_logic;signal InputReg:std_logic;signa

6、l Delay:std_logic;signal SynInput:std_logic;process(SynInput, AsynInput)beginif SynInput=1 then-此置位为寄存器信号，为同步设计，可行InputReg = 0;if rising_edge(AsynInput) thenInputReg = 1;end if;end process;process(Clk) beginif rising_edge(Clk) thenDelay = InputReg;SynInput = Delay;end if;第10页，共51页。DQ3Async RINPUTCLO

7、CKCounterQ2Q1Q0DQ同步设计方法中TC的生成和使用对照前面异步设计中TC生成和使用的例子TC第11页，共51页。相应的VHDL代码signal Counter: std_logic_vector(3 downto 0);signal TC:std_logic;signal flop:std_logic;process(TC, Clk)beginif TC=1 then-此复位为寄存器信号，为同步设计，可行Counter = “0000”;TC = -;elsif rising_edge(Clk) thenCounter = Counter + 1;if Counter=“1110

8、” then-注意和异步设计中TC信号的比较-此处TC为寄存器输出TC = 1;elseTC = 0;end if;end if;end process;第12页，共51页。同步设计的更多例子（可行）DQ1DTCCounterINPUTCLOCKCounterQ0INPUTCLOCKDCEQRSDATA第13页，共51页。相应的VHDL代码例2signal Counter: std_logic_vector(3 downto 0);signal TC: std_logic;signal s: std_logic;process(Clk)begin if rising_edge(Clk) the

9、n if INPUT=1 then Counter = Counter + 1; end if; if TC=1 then -TC 用在寄存器的CE端，为同步设计，可行 s = DATA;end if; end if;end process;TC = 1 when Counter=“1111” else 0;-TC为组合逻辑输出例1signal Counter: std_logic_vector(1 downto 0);process(Clk)begin if rising_edge(Clk) then if INPUT=1 and Counter/=“11” then Counter = C

10、ounter + 1; end if; -组合逻辑用在寄存器的D端， -为同步设计，可行 end if;end process;第14页，共51页。异步设计的更多例子（禁止）DQ1Async RDTCCounter这些例子有什么问题 ?INPUTCLOCKCounterQ0INPUTCLOCKDCEQRSDATA第15页，共51页。相应的VHDL代码例2signal Counter: std_logic_vector(3 downto 0);signal TC: std_logic;signal s: std_logic;process(Clk)begin if rising_edge(Clk

11、) then if INPUT=1 then Counter = Counter + 1; end if;end if;end process;TC = 1 when Counter=“1111” else 0;-TC为组合逻辑输出process(TC)begin if rising_edge(TC)=1 then -TC 用作寄存器的时钟，为异步设计，禁止！ s = DATA; end if;end process;例1signal Counter: std_logic_vector(1 downto 0);process(Counter, Clk)begin if Counter=“11”

12、 then -组合逻辑用作寄存器的异步复位， -为异步设计，禁止！ Counter = “00”; elsif rising_edge(Clk) then if INPUT=1 then Counter = Counter + 1; end if;end if;end process;第16页，共51页。二、速度第17页，共51页。中间态、时延和速度当寄存器间数据传递的时延超过一个时钟周期，下游寄存器不能在下一个时钟周期采样到本时钟周期给出的上游数据，出现错误。当时钟来临时，寄存器输入发生变化，会采样到中间态。- 建立时间不能被满足，就会采样到中间态，最后的采样结果不确定。避免采样不到和采样到

13、中间态的方法是满足时延要求系统中的最大时延决定了系统的速度，也决定了系统能正常工作的最大时钟频率。DCLKQCLKDQ当建立时间不够时，会采样到中间态，最后的采样结果不确定。建立时间DCLKQDCLKQ第18页，共51页。时延中包括时钟歪斜（Skew)下面逻辑中，数据时延很小(最大3.6ns)，如果时钟歪斜较小，该逻辑可以跑200MHz以上。由于存在时钟歪斜，Flop B到Flop C的实际时延为3.3+12.1-3.6=11.8ns，在100MHz下就不能工作。计算速度时要考虑时钟歪斜的影响。使用全局驱动，可以减少时钟歪斜。DQINPUTCLOCKDQDQFlop C12.13.63.33.

14、63.13.0Flop BFlop A第19页，共51页。时延级数怎么算?FPGA的时延通常 布线占50%，逻辑占50%不要忘记了时钟到输出的时间 (tco，输出时间)和时钟到建立的时间 (tsu，建立时间)- 逻辑时延级数总会包括这两级。还需要检查I/O的速度。DCEQRPDCEQRP第20页，共51页。XCV100-4的例子3级逻辑的速度有多快？布线时延大致可估算为与逻辑时延相等下面Slice的时延是Tilo，从F,G经过LUT输出的时延DCEQDCEQ Tcko+布线 +Tilo+布线 +Tilo + 布线 + Tilo +布线 + Tdick 1.372+1.057+0.738+1.0

15、57+0.738+1.057+0.738+1.405+ 0.765= 8.927ns 或者 110MHz 第21页，共51页。速度估计用逻辑时延作为网络时延的估计已知系统的时钟频率，可以估计允许的逻辑深度和功能需求相对照，修改设计以满足性能需要。在50 MHz下使用XCV100-4的例子:时钟周期20 ns一级布线时延- 5 ns (Tcko + Tnet + Tick) Tcko+Tick=2.871ns允许增加时延=15 ns每增加一级的时延/ 1.52 ns (Tilo + Tnet) Tilo=0.738ns允许增加的级数=710 SlicesTckoTnetTiloTnetTiloT

16、netTickSliceSliceSliceSlice注意此Slice中使用了LUT，所以建立时间是Tick而不是Tdick，这种映射结果减少了一级布线时延第22页，共51页。对高扇出的网络使用全局驱动设计中，有高扇出的时钟使能、IOB三态以及其他信号吗?使用剩余的BUFG来驱动它们，以达到更小的歪斜和更高的性能使用BUFG，时钟和CE输入的歪斜可以小于1ns使用BUFG的方法，实例化BUFG，将相应信号连接上去DCEQRPCE or OE or RSTINPUTCLOCKBUFG第23页，共51页。使用全局复位有助于提高速度所有的触发器在上电时通过全局置位/复位（GSR）网络进行初始化你可以

17、通过实例化（ instantiating ）STARTUP 元件（ primitive）访问GSR网络。断言（assert）GSR进行全局置位/复位GSR自动连接到所有CLB的触发器，使用专用的布线资源。使用GSR，可以节约通用布线资源，减小布线时延，提高系统速度不要连接GSR到触发器的复位、置位输入端任何信号（如内部信号、外部输入等）都可以连接到GSR，但该信号必须在设计中定义。尽可能使用全局复位限制使用非全局复位的异步复位的触发器数量非全局复位会使用额外的布线资源GR/GSRGTSCLKQ1Q2Q3DoneInSTARTUPQ4第24页，共51页。VHDL代码中的复位在下面的VHDL中，应

18、该在Rst中对寄存器赋值，否则Rst信号会被综合成寄存器的CE端的一个输入。- 浪费布线资源、增加逻辑级数，降低系统速度 即使不关心寄存器的复位状态，也应该对其赋初值，可以赋初值为“-”，即“Donnt care”。这样，寄存器的复位端不会被使用，节约布线资源Process(Rst,Clk)begin if Rst=1 then DataValid = 0; Data(31 downto 0) -); -这个语句一定要写，否则Rst信号会被综合成寄存器 -Data到DataCE端的一个输入 elsif rising_edge(Clk) then DataValid = f(x); Data =

19、 g(y);-f(x),g(x)表示组合逻辑 end if;end process;小技巧： 对于逻辑向量std_logic_vector的赋值，可以使用“()”来表示。如：signal ptr: std_logic_vector(14 downto 0);ptr = 000 & x000; 可以写成 ptr 0);ptr(12 downto 7) = - 可以写成 ptr(12 downto 7) -);ptr = -00 & x000; 可以写成 ptr -, others=0);第25页，共51页。采用流水线逻辑来提高速度FPGA触发器资源丰富增加流水线逻辑级数，可提高系统速度DCEQR

20、PDCEQRPDCEQRPDCEQRPDCEQRP25MHz50MHz第26页，共51页。4-5输入的逻辑函数对速度和密度最有利Xilinx FPGA由四输入查找表（LUT）组成。一个查找表能实现其输入形成的任何逻辑函数相当于编址ROM，将输入作为地址，查找出函数结果。 LUT能实现的函数只受输入数目限制，不受函数复杂度限制一个Slice中可用两个LUT和选择器实现5输入的任何逻辑。减少函数输入（扇入）来适合Slice，可以提高逻辑密度和速度。取反不耗费资源（free)。CLB Lookup Table第27页，共51页。状态机的三种类型编码与速度二进制: 状态序列如同计数器序列，S1 = 0

21、01, S2=010, S3=011, S4=100, etc枚举: 状态有指定的值， S1=100, S2=110, S3=101, S4 = 111, etcOne Hot（单热）: 每个状态只有一个寄存器有效，S1=00000001, S2=00000010, S3=00000100, etc在状态机从当前状态跳到下一状态时，二进制和枚举类型有大量的反馈输入。这对CPLD（如XC9500）来说是比较合适的。在FPGA中, 使用二进制和枚举类型可能会占用较少资源但肯定比one-hot 编码慢。- One Hot每个状态只需提供一位反馈输入第28页，共51页。状态机的速度对于较大的状态机，使

22、用One Hot编码二进制或者枚举编码，对于较小的状态机合适。记住四输入查找表！状态机可能会有很多的扇入，和大量的反馈，对速度不利使用One Hot, 并限制输入状态数，使输入限制到4-5，可以达到最高的速度。Input 1Input 3State 4State 6State 191 LUT第29页，共51页。DQfn1DQfn1DQfn1对高扇出网络，通过复制寄存器来提高速度高扇出网络(16个负载)难于布线，而且较慢考虑在示意图或VHDL中复制资源来改进布线和速度 Foundation工具不会自动完成这种功能将复制寄存器命名为 _a, _b, _c, 不要用1,2,3. 这样，Foundat

23、ion映射（map）时会更有效.第30页，共51页。计数终点信号提前译码以提高速度对大的计数器而言，译码产生计数终点信号需要逻辑级数较多- 提前一个时钟周期译码计数终点信号，寄存后使用，可以提高速度，并保持时序关系不变。LDQ0Q1Q2Q3COD0D1D2D3CECDQCECDATA0DATA1DATA2DATA3ENABLECLOCK第31页，共51页。复制组合逻辑以提高速度如果Logic Replication选项被选中，Foundation会自动复制组合逻辑 速度/面积的交易通过复制组合逻辑，将逻辑合并入一个Slice中，减少了逻辑级数你的逻辑表达会影响映射结果。 扇出大于1的网络可能在

24、Slice之外。 留意速度关键路径的映射结果O1I1O1I1N1N1 必须输出到两个地方，所以O1需要两级逻辑复制第一个门，使得逻辑可以合并入一级逻辑中N1AN1B第32页，共51页。速度关键输入应在逻辑最后一级提供关键输入应该在逻辑最后一级提供 关键输入为芯片、Slice、或者LUT提供的时延最大的输入 在示意图中，将关键输入连接在逻辑最后一级 在VHDL中，将关键输入放在ifelsif链的第一级CLBCLBIN (Critical)FHI0 (Critical)OUT第33页，共51页。使用进位逻辑提高速度和密度使用Slice中的进位逻辑可提高算术运算速度 XCV100-4的例子(具体数据

25、有待验证）16-bit 加法器（不使用进位）10 Slices & 38Mhz16-bit 加法器（使用进位） 8 Slices & 63Mhz32-bit 加法器（不使用进位）21 Slices & 27Mhz32-bit 加法器（使用进位）17 Slices & 44Mhz通过进位的串行实现可以提高密度每个Slice可以实现2位进位链; 例如：XCV100 有30 x20 CLB, 一条进位链最多可以实现40位的加法器，一个48位加法器需要两条链使用库中基于进位的宏(RPM) 或者LogiBLOX许多库中的算术函数是RPM ADDx 加法器, ADSUx 加法/减法器, CCx 计数器 C

26、OMPMCx magnitude 比较器RPM 指相对定位宏 通过RLOC属性指定布局相对位置。 进位逻辑的相对布局需要使用垂直进位逻辑连接第34页，共51页。了解进位链流向XC4000E/L和Spartan/XL进位链流向为上下两个方向XC4000EX/XL/XV和Virtex器件的进位链流向只能向上XC4000ESpartan/XLXC4000EX/XL/XVVirtexLSBMSB第35页，共51页。编码：只有在必要时才使用二进制序列可以生成各种需要的序列，而不仅限于二进制使用预缩放（prescale）技术来提高速度低位（LSBs）翻转很快参见Application Notes XAPP

27、001 and XAPP014如果要译码输出，使用格林（Gray）码计数器每次只翻转一位，可以避免译码产生毛刺如果只需要计数终点，考虑使用线性反馈移位寄存器（LFSR）提高速度。生成序列可以覆盖的地址空间为2n-1,全0不包含在序列中。n取不同值时，用来生成反馈位的两位不同，参见相关资料在可以采用任意规则序列的情况下，也可以使用LFSR (比如, FIFO) 进位较慢的大计数器TCCE快速的小计数器 10-bit SRQ0Q9Q6第36页，共51页。使用预缩放（Pre-scale）提高计数器速度计数器的速度由从LSB到MSB的进位延迟决定预缩放技术对较大的计数器特别有益- 低位翻转很快，用低位

28、的TC作为高位的CE，可以降低高位的时钟频率- 使用TimeSpecs进行约束预缩放技术限制了载入时间，故计数器不可加载参考XAPP014快速的小计数器进位较慢的大计数器TCCE第37页，共51页。I/O 速度：FPGA的建立时间 TsuFPGA的输入输出也有时延要求。满足时延要求的FPGA建立时间由: 全局时钟时延Tbufg 、板上时延Tbrd和上游器件的输出时间Tco(up)决定。FPGA建立时间(Tsu)的计算公式:Tsu-fpga = Tcyc -Tco(up)- Tbrd + Tbufg可以使用“OFFSET IN”对Tsu进行约束DCEQ上游器件DCEQXCV400 FPGAClo

29、ck (Tcyc)Tco(up)TbrdTbufgTsu第38页，共51页。I/O速度：FPGA的输出时间TcoFPGA输出时间的计算公式：Tco = Tcyc - Tsu(down) - Tbrd - Tbufg使用“OFFSET OUT”对Tco进行约束DCEQXCV400 FPGADCEQ下游器件Clock (Tcyc)TcoTbrdTbufgTsu(down)第39页，共51页。OPADOBUFFAST使用快歪斜率提高输出速度歪斜率控制输出速度缺省使用“slow”歪斜率，以降低噪音当速度重要时，使用“fast”歪斜率FAST是输出逻辑元件（primitive）的一个参数可以通过加入FA

30、ST约束实现。第40页，共51页。使用I/O寄存器提高输入和输出速度使用IOB中的I/O寄存器，可以提高输入和输出速度- 输入或输出可以去除从内部布线的时延，IOB中的时延也更小- 还可以节约寄存器资源实现选项中，选择“Pack I/O Registers/Latches into IOBs for Inputs and Outputs”- 输入若未寄存，直接扇入到组合逻辑，则不能map到IO寄存器中- 输出若为组合逻辑输出，或者需要反馈为输入，则不能map到IO寄存器中DCEQDCEQI/O padFrom: FPGAInto: FPGAOFFIFFOutput ClockInput Clo

31、ck第41页，共51页。使用I/O寄存器的例子(FPGA-FPGA)DCEQ发送器(XCV100-4 FPGA)DCEQ接收器(XCV100-4 FPGA)使用IOB中寄存器的时延Tiockp + PCB网络时延 + Tiopick5.649 1.962=7.611不使用IOB中寄存器的时延(Tcko + Tnet +Tioop) + PCB网络时延 + (Tiopi + Tnet + Tdick) (1.372 +0.756+5.652)(0.989+ 1.930+0.728)7.7803.647 =11.427第42页，共51页。输入速度：可编程的输入时延FPGA的输入通道上有一个可编程的

32、时延可以用来在建立时间和保持时间之间达到妥协。可选择全部、部分或无时延缺省为全时延，以使保持时间的需求为0可在UCF中进行控制。DCEQXC4000 FPGA输入时延BUFGXC4036XL-1的例子:时延情况 建立时间保持时间全时延: Tsu = 5.8nsTh = 0 ns部分时延: Tsu = 4.8nsTh = 1 ns无时延: Tsu = 0.9nsTh = 4.1ns第43页，共51页。I/O速度的其他提示XC4000-13,36,62XL是turbo boosted。使用BUFG，可提高pin to pin时延第44页，共51页。三、资源第45页，共51页。资源使用量是指FPGA

33、使用了的百分率在宏、库、以及XAPP application notes中找到可比较的函数来估计资源使用量或者，使用别的设计来估计器件使用率快速实现，然后查看MAP报告选择“Implementation/ View Report Files/ Map report”Slices, IOBs, Block RAMs, 以及其他部件分别列出，并给出使用百分率。最后给出相当于ASIC的门数资源估计Design Summary- Number of errors: 0 Number of warnings: 644 Number of Slices: 1,147 out of 1,200 95% Slice Flip Flops: 735 4 input LUTs: 1,046 (1 used as a route-thru) Dual Port RAMs: 312 Number of Slices containing unrelated logic: 0 out of 1,147 0% Number of