FPGA设计实用经验

FPGA设计实用经验

   
总结FPGA设计实用经验：

1、状态机的问题，尽量不要写出太大的状态机，宁愿用一些小型的状态机来相互关联。
2、推荐大家使用timequest来做时序约束，好处是，它可能对你的时序约束和你的设计对照做分析，在做时序分析之前，先对你的约束做分析，然后告诉你，你有多少该做的事情而没有做的（为被约束的路径）还有多少你要求做的，而没有被做的（被忽略的时序要求）。
3、对时钟的约束，要重点关注两个现象。首先是尽量少的在时钟路径上引入逻辑，否则可能造成了时钟和时钟之间的skew。另外就是一种上下沿都需要用来采集数据的时钟。对于时钟的约束有很多的地方需要注意，否则你的电路都不知道会飞到哪里去。
4、约束中最重要的一个关键，不要过约束。过约束的坏处一大堆，增加编译时间，资源使用过度，导致其他的时序问题。如果你对自己的约束有些不太放心，又或者说可能器件和器件之间会有很细微的差别，你可以给约束做一些余量，但是过约束是万万要不得的。
5、IP的作用就是为了完成一个特定的功能，所以我们并不需要知道它是如何实现的。作为一个IP，最重要的，其实是接口，因为你最重要的是需要知道是怎么让它工作起来，而不是它怎么工作的。所以在看文档的时候，最主要看的就是接口信号，对所有的信号的作用有一个了解。例如，NiosII CPU作为一个比较大型的模块，使用的是Avalon MM 点对点接口，它与普通的PCI接口不同的地方是，他可以支持同时多线控制。因为它没有总线的概念，不会在总线被占据的时候，其他任何通讯都无法进行。NiosII是在SOPC builder 中被直接使用的，我们不需要知道具体有哪些信号，因为没有非常需要，我们是看不到这些接口的。在NiosII中，我们有两个Master Avalon MM 接口，一个是Instruction Master Port, 这是CPU用来读取指令的接口。CPU通过这个端口从Memory上读取指令。另一个是Data master port, 很简单，这是用来连接数据通道的。比如说你要读取的数据，你要存储的数据，都是走这个通道。这两个端口可以连接同一个内存，在这种时候需要特别小心，很有可能自己把自己的指令给改掉了。但是反过来思考一下，其实我们可以做什么？可以按照状况改变软件代码。NiosII中还有第三个端口，这是用来做Debug用的端口。还有其他的一些接口，比如TCM接口。我们需要知道这些接口的存在，但是不需要知道细节，只有在用到的时候再去看相关的文档就好了。
6、作为系统设计，是需要有一种粗旷型的大气魄，不需要在细节上浪费时间。你会发现很多的细节是没有意义的。并不是说我们不需要去研究细节，细节是很重要的，但是细节需要在被用到的时候才去关注就好了。
7、在使用IP的时候，会遭遇到意想不到的痛苦的。所以，尽量不要依靠假设来臆想了模块的设置。而是尽量的适应环境，来配置自己的设计。作为一个FPGA的玩家，这种依照环境来改变的能力是必须的。
8、考虑Cashes的设置，Cash 有两种，一种是用来做指令缓存的，一种是用来做数据缓存的。Cash的大小对程序的运行速度是有影响的。当然也没必要使用过多的资源。够用就好了。
9、自定义指令设置。这是最有价值的设置。所谓自定义指令，并不是一个软件宏或者函数。而是一块硬件。当CPU调用到这个指令的时候，事实上它调用的就是这个硬件模块，它被嵌入在CPU中。而这其实就是NiosII好玩的地方。
10、SOPC builder是QuartusII中用来建立，开发，维护系统的平台。虽然很多时候我们用它作为NiosII的一个嵌入式系统的开发环境，但我不要把思路只是局限在NiosII上面。它将成为一个包容全部系统内容的一个平台。
11、Avalon接口分成两种，一种是Avalon-MM接口，另一种是Avalon-ST 接口。MM接口，是通过地址来读写数据，更多的是用在控制逻辑上面。ST接口是用于点到点的流数据接口，更多的可以用在有高速通过率的模块中间。这两个接口本身并没有矛盾，不是说势不两立的，一个模块中既可以有MM接口，甚至几个MM接口，也可以同时存在ST接口。作为一个点对点的接口定义，Avalon可以做到高效的接口效果。这与PCI之类的总线接口是有本质区别的。PCI总线可以看作是铁路轨道，当一个火车在轨道上行驶的时候，就不可以有另一个火车同时使用轨道。Avalon接口更多好像高速公路，车辆可以双向行驶。
12、作为FPGA设计中比较独特的一个原则就是，这个世界不是你创造的，所以你必须去适应它，而不是顽固自己的意图。
13、在FPGA中，除了门与门之间的延迟是固定的（时钟频率）外，一切的组合电路的延迟都是不确定的。记住这样一个规律就好了，凡是没有被门关过的信号都是不稳定的，都只是暂时的。
14、在生成新的再生门（一些逻辑的结果作为时钟去驱动一个门，我们且管他叫作再生门吧）之前，你最好把这个时钟信号用原来的那种门在关一下。这样你获得的会是一个干净的，纯粹的时钟信号。
15、针对新的一些器件，器件本身可以提供一些时钟控制模块，当你需要使用门锁（gated lock）的时候，尽量的使用这些模块，会让你的时钟变得安全（clock control block）。
16、如果你不得不使用逻辑电路来锁门，而你的器件又没有特定的模块。那么最好的情况就是，你可以先用那个时钟，把你的门锁信号关一下。这样的好处就是可以把毛刺信号完全的规避在门外面，使你的时钟更加安全。
17、上电初始值
在通常的状况下，所有的门在上电的时候输出为低。但是这并不是不能改变的。你可以把上电设置为高，这样综合工具可能会做两种事情，把输出反向，或者使用preset控制（如果存在的话）把初始值放进门里。
当时上电为高的做法，并不是非常必要，因为你其实是可以使用复位信号来获得你想要的初始状态的。如果你觉得这是必须的，那么有几种方法你可以做：
首先是在QuartusII里面你可以针对某个或者某些门设置power-up level为高或低。
在代码中使用altera_attribute
直接写代码设置初始值：reg q = 1'b1;
always @ (posedge clk or posedge aclr)
begin
if (aclr)
q <= 1'b0;
elseq <= d;
end
18、门的次级管理信号，按照优先级排列一下：
1.异步清零信号 – aclr
2.上电复位信号, - pre
3.异步载入信号 – aload
4.使能信号 – ena
5.同步清零信号 – sclr
6.同步载入信号 – sload
7.数据输入信号 – data
19、在FPGA设计中，只有在输入输出上可以使用双向信号，双向信号是不能使用在内部逻辑上的。一定不要用这种信号，否则工具会综合出一个你都不知道会是什么东西的东西。针对一个双向端口，你需要把它变成一个输入信号 in，一个输出信号：out, 和一个输出使能信号: output_enable. 所以代码其实很简单：
Assign birsignal = output_enable ? out: 1’bz;
Assign in = birsignal
这里有一个小小的提示，在写代码的时候突然不太清楚语法怎么写的时候，你可以在quartus里面按一下右键，你可以发现一个insert template…的选择。试试看吧。
20、状态机是设计过程中的核心部分，所以我们需要特别的提一下写状态机的一些注意事项。为了实现利益最大化，建议在FPGA中使用one hot 模式的状态机，而在CPLD中使用最少比特数的状态机。在具体的设计中需要注意的是：
1、把状态机写全，也就是说不要漏写了 Default：。没有这个首先会出现什么？对了，会有假门(latch)。
2、状态机作为控制核心部分，尽量把它和算法功能和数据分离开来。好像你看到好的流水线，控制流水线的电脑和流水线本身是分开的。这样可以保持相对的独立性。
3、如果一种操作设计到几个状态，尽量把操作剥离状态机本身。
4、使用一个简单的复位信号来定义上电状态。如果你的状态机会被比较多的复位信号复位的话，工具就不会把它当作状态机来对待。总之，尽量的保持状态机的很傻很单纯是很重要的。尽量的不要加重核心部分的复杂性。其实道理很简单，好比在一个公司里面，真正在工作的，其实一定不是一个这个公司的核心。

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