FPGA逻辑设计基础

满足时序更为重要，两者冲突时速度优先
RTL编码风格
我没有了个性？！ 这又不影响功能！
对个人而言，或许如此。但对于需要协作 的团队而言，编码风格的不统一，存在诸 多缺点。
RTL编码风格
对于一个团队来讲，编码风格的不统一 造成代码难以阅读，又不好维护，甚至 对于你自己，程序的作者亦是如此。你 或许思维敏捷、聪明伶俐，然而你编写 的代码令你的才干与造诣黯然失色。
思考一下：
传播延时对定时裕度有什么影响？
数字电路中的几个基本概念 － 时钟偏移 (1)
I A Ta Clock Tb O 组合逻辑 I B O
时钟偏移（clock skew）指的是时钟信号在各个负载路径上 的延时差。 以上图为例：假设时钟信号到达器件A 的最大延 时为 T a ，时钟信号到达器件B的最大延时为Tb，那么该时钟信 号的时滞即为Ta－T b。
FPGA逻辑设计基础
目录
● ● ● ● ●
FPGA 设计基本原则 RTL 编码风格 数字电路的几个基本概念 系统同步电路的静态时序分析 FPGA 设计案列分析
FPGA设计基本原则－同步设计原则
异步电路 电路的核心逻辑用组合电路实现， 比如异步的FIFO/RAM读写信号、 地址译码等电路 电路的主要信号、输出信号等并不 依赖于任何一个时钟信号，不是由 时钟信号驱动FF产生的 异步实现电路的最大缺点是容易产 生毛刺 不利于器件的移植，这包括器件族 之间的移植和从FPGA向结构化 ASIC的移植 不利于静态时序分析(STA)，验证 设计时序性能 同步电路 电路的核心逻辑用各种各样的触 发器实现 电路的主要信号、输出信号等都 是由某个时钟沿驱动触发器实现 的 同步时序电路可以很好地避免毛 刺 利用器件移植，这包括器件族之 间的移植和从FPGA向结构化 ASIC的移植 有利于静态时序分析(STA)，验证 设计时序性能
数字电路中的几个基本概念
● ● ● ● ● 建立时间 TSU、保持时间TH、时钟到输出的延时 TCO 传播延时 TPD 时钟偏移（clock skew，也称“时滞”） 亚稳态 组合逻辑的竞争与冒险
数字电路中的几个基本概念 － TSU、TH、TCO (1)
TSU TH Clock TCO Data TCO
FPGA设计基本原则－硬件原则
首先应该明确FPGA/ASIC的逻辑设计所采用的 HDL硬件描述语言通C/C++软件语言是有本质区别的
C/C++软件语言最终在CPU中运行，本质上是串行运行 的 HDL硬件描述语言最终在FPGA/ASIC中运行，本质是 并发运行的 在写HDL代码是要有硬件思想，最好能够将HDL对 应于硬件电路，做到心中有硬件
数字电路中的几个基本概念 － 竞争/冒险(2)
我们以下图中所示的电路分析竞争冒险现象：
A B
F1 F F2
C
由该电路逻辑图可直接写出输出函数式：
F AB BC AB BC
(a)
假定 A=C=1时，B由1变为0，由于信号传输路径不同，F2先由0变为1，F1 后由 1 变为0，使F2和F1出现同时为1的时刻，故输出产生负向过渡干扰 脉冲。因此，该电路存在竞争冒险现象，如图 8 所示。
数字电路中的几个基本概念
既然是逻辑设计基础的培训，为什么要说明基本概 念？ 逻辑设计中 的大多数问题都与这几个基本概念有 关，因此我们需要简要说明一下，作为后续讨论的 依据！
数字电路中的几个基本概念
I
O
组合逻辑
I
O
Clock
上图显示了一个基本的系统同步时序电路模型 。在这个电 路模型中，有几个参数对该电路能否正常工作至关重要，下 面我们分别对它们进行描述。
数字电路中的几个基本概念 － 亚稳态(2)
亚稳态发生的原因
在同步系统中，如果触发器的建立/保持时间不满足，就可 能产生亚稳态，此时触发器输出端Q在有效时钟沿之后比较 长的一段时间处于不确定的状态，在这段时间里Q端出现毛 刺、振荡、固定的某一电压值，而不是等于数据输入端D的 值。这段时间称为决断时间（resolution time）。经过决 断时间之后Q端将稳定到0或1上，但是究竟是0还是1，这是 随机的，与输入没有必然的关系。
RTL编码风格
采用一种一致的、可预见的方式编写代码，能使代 码更易于调试和维护。如果每个人都采用自己的编 码结构、注释方法和命名习惯，那么每个模块多少 都存在一些不易让人理解的地方。除非能完全透彻 地理解代码，否则其他人不可能运用你的代码（发 现问题的根源、分析代码的依赖性等）。
代码风格的不一致导致故障定位和代码复查效率低 下!
A B F2 C P F1 F
数字电路中的几个基本概念 － 竞争/冒险(6)
加入选通脉冲(2) 该选通脉冲通常是P=0，使电路处于封锁状态，只有在接收了 输入信号并且电路达到了新的稳态之后，才有脉冲P=1,允许电 路输出。这就避免了竞争冒险的影响。引入选通脉冲的组合电 路，输出信号只有在选通脉冲P=1其间才有效，波形图如图 10 所示。
FPGA设计基本原则－面积和速度的平衡和互换
面积和速度是一对对立统一的矛盾体
1. 面积：设计消耗的FPGA逻辑资源的数量 2. 速度：设计稳定运行能够达到的最高频率 3. 同时要求设计面积最小，运行频率最高是不现实的
面积和速度互换是FPGA设计的一个重要思想
1. 时序裕求较高，通过并串转换或兵乓操作提高时序
数字电路中的几个基本概念 － TPD (1)
TPD
I
O
组合逻辑
I
O
Clock
传播延时指的是从时序分析的源终结点到时序分析的目 的终结点之间的传输以及组合路径的延时和，例如PADto-PAD、FF-to-FF、 PAD-to-FF、FF-to-PAD 之间的延时。
数字电路中的几个基本概念 － TPD (2)
如果违背了建立/保持时间的要求会出现什么问题呢？
如果没有满足建立/保持时间的要求，寄存器就有可能出现 亚稳态，当出现亚稳态的时候寄存器的输出可能为一个中间 电平、也有可能出现震荡。
数字电路中的几个基本概念 － TSU、TH、TCO (3)
思考一下：
亚稳态有什么样的影响？
T CO对定时裕度有什么影响？
异步 输入
D
Q
D
Q
同步 输出
Clock
数字电路中的几个基本概念 － 亚稳态(4)
亚稳态的解决办法(2) 图中，左边为异步输入端，经过两级触发器同步，在右边的输出将是同 步的，而且该输出基本不存在亚稳态。其原理是即使第一个触发器的输 出端存在亚稳态，经过一个 时钟周期后，第二个触发器D端的电平仍未 稳定的概率非常小，因此第二个触发器Q端基本不会产生亚稳态。注意， 这里说的是“基本”，也就是无法“根除”，那么如果第二个触发器Q 出现了亚稳态会有什么后果呢？后果的严重程度是由你的设计决定的， 如果系统对产生的错误不敏感，那么系统可能正常工作，或者经过短暂 的异常之后可以恢复正常工作，例如设计异步FIFO时使用格雷码计数器 当读写地址的指针就是处于这方面的考虑。如果设计上没有考虑如何降 低系统对亚稳态的敏感程度，那么一旦出现亚稳态，系统可能就崩溃了。
数字电路中的几个基本概念 － 亚稳态(3)
亚稳态的危害 由于输出在稳定下来之前可能是毛刺、振荡、 固定的某一电压值，因此亚稳态除了导致逻 辑误判之外，输出0～ 1之间的中间电压值还 会使下一级产生亚稳态（即导致亚稳态的传 播）。 逻辑误判有可能通过电路的特殊设计 减轻危害（如异步FIFO中格雷码计数器的作 用），而亚稳态的传播则扩大了故障面，难 以处理。
数字电路中的几个基本概念 － 亚稳态(4)
亚稳态的解决办法(1)
只要系统中存在异步元件，亚稳态就是无法避免的，因此设计的电路首 先要减少亚稳态导致错误的发生，其次要使系统对产生的错误不敏感。 前者要通过同步处理来实现，而后者根据不同的设计应用有不同的处理 办法。用同步处理来减少亚稳态发生机会的典型电路如下图所示。
F AB BC AB BC AC
上式增加了AC项以后，函数关系不变，但当A=C=1时，输 出 F 恒为 1，不再产生干扰脉冲。所以，把电路按上式修 改，即可消除竞争冒险现象。修改后的电路如图 11所示：
数字电路中的几个基本概念 － 竞争/冒险(9)
修改逻辑设计(2)
A B
F1 F F2
RTL编码风格
那么我们应该按什么样的风格编写代码？
RTL编码风格
有很多公司都有自己的RTL编码规范
下面列出这些规范中的一些通用规定：
RTL编码风格
● 一个模块为一个文件； ● 文件命名为模块名+后缀 ● 常量（常量和文本宏）用大写字母表示，其它标识符（包 括 net 、variable、construct 及instance ）用小写字母 表示； ● 时钟信号的后缀为_clk； ● 复位信号的后缀为_rst； ● 低电平有效的信号的后缀为_b； ● 每个文件必须包含规定格式的文件头； ● 每行长度不超过80字符； ● 禁用 casex ● …
数字电路中的几个基本概念 － 时钟偏移 (2)
思考一下：
时钟偏移对定时裕度有什么影响？
数字电路中的几个基本概念 － 时钟偏移 (3)
讨论：
引起时钟偏移的因素都有哪些？
走线长度 输入电容 … ?
数字电路中的几个基本概念 － 亚稳态(1)
亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认 的状态。当一个触发器进入亚稳态时，既无法预测该单元的 输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个确定的电平 上。在这个稳定期间（决断时间，resolution time），触发 器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种 无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播 下去，严重情况下会导致整个系统崩溃。
● 建立时间 TSU是指在器件的时钟触发沿到达之前数据需要保 持稳定不变的最小时间； ● 保持时间 TH是指在器件的时钟触发沿到达之后数据需要保 持稳定不变的最小时间； ● TCO 是指器件的时钟触发沿到输出有效数据之间的时间间隔。