FPGA/DSP设计的四种常用思想与技巧

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本文讨论的四种常用FPGA/DSP设计思想与技巧：乒乓操作、串并转换、流水线操作、数据接口同步化，都是FPGA/CPLD逻辑设计的内在规律的体现，合理地采用这些设计思想能在FPGA/CPLD设计工作种取得事半功倍的效果。
　　FPGA/CPLD的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！
　　乒乓操作
　　“乒乓操作”是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图1所示。
　　乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口RAM(DPRAM)、单口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”；在第2个缓冲周期，通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块2”，同时将“数据缓冲模块1”缓存的第1个周期数据通过“输入数据选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理；在第3个缓冲周期通过“输入数据选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”，同时将“数据缓冲模块2”缓存的第2个周期的数据通过“输入数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。
　　乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。
　　乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在WCDMA基带应用中，1个帧是由15个时隙组成的，有时需要将1整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时1个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是1整帧数据长，假设数据速率是3.84Mbps，1帧长10ms，则此时需要缓冲区长度是38400位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲1个时隙数据的RAM(单口RAM即可)。当向一块RAM写数据的时候，从另一块RAM读数据，然后送到处理单元处理，此时每块RAM的容量仅需2560位即可，2块RAM加起来也只有5120位的容量。
　　另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。如图2所示，数据缓冲模块采用了双口RAM，并在DPRAM后引入了一级数据预处理模块，这个数据预处理可以根据需要的各种数据运算，比如在WCDMA设计中，对输入数据流的解扩、解扰、去旋转等。假设端口A的输入数据流的速率为100Mbps，乒乓操作的缓冲周期是10ms。以下分析各个节点端口的数据速率。 A端口处输入数据流速率为100Mbps，在第1个缓冲周期10ms内，通过“输入数据选择单元”，从B1到达DPRAM1。B1的数据速率也是100Mbps，DPRAM1要在10ms内写入1Mb数据。同理，在第2个10ms，数据流被切换到DPRAM2，端口B2的数据速率也是100Mbps，DPRAM2在第2个10ms被写入1Mb数据。在第3个10ms，数据流又切换到DPRAM1，DPRAM1被写入1Mb数据。 仔细分析就会发现到第3个缓冲周期时，留给DPRAM1读取数据并送到“数据预处理模块1”的时间一共是20ms。有的工程师困惑于DPRAM1的读数时间为什么是20ms，这个时间是这样得来的：首先，在在第2个缓冲周期向DPRAM2写数据的10ms内，DPRAM1可以进行读操作；另外，在第1个缓冲周期的第5ms起(绝对时间为5ms时刻)，DPRAM1就可以一边向500K以后的地址写数据，一边从地址0读数，到达10ms时，DPRAM1刚好写完了1Mb数据，并且读了500K数据，这个缓冲时间内DPRAM1读了5ms；在第3个缓冲周期的第5ms起(绝对时间为35ms时刻)，同理可以一边向500K以后的地址写数据一边从地址0读数，又读取了5个ms，所以截止DPRAM1第一个周期存入的数据被完全覆盖以前，DPRAM1最多可以读取20ms时间，而所需读取的数据为1Mb，所以端口C1的数据速率为：1Mb/20ms=50Mbps。因此，“数据预处理模块1”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50Mbps。同理，“数据预处理模块2”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50Mbps。换言之，通过乒乓操作，“数据预处理模块”的时序压力减轻了，所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的1/2。 通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过DPRAM这种缓存单元实现了数据流的串并转换，并行用“数据预处理模块1”和“数据预处理模块2”处理分流的数据，是面积与速度互换原则的体现！
　　串并转换设计技巧
　　串并转换是FPGA设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、RAM等实现。前面在乒乓操作的图例中，就是通过DPRAM实现了数据流的串并转换，而且由于使用了DPRAM，数据的缓冲区可以开得很大，对于数量比较小的设计可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现：
prl_temp<={prl_temp,srl_in};

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　　其中，prl_temp是并行输出缓存寄存器，srl_in是串行数据输入。对于排列顺序有规定的串并转换，可以用case语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法比较简单，在此不必赘述。
　　流水线操作设计思想 首先需要声明的是，这里所讲述的流水线是指一种处理流程和顺序操作的设计思想，并非FPGA、ASIC设计中优化时序所用的“Pipelining”。 流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是“单流向”的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工作频率。 流水线设计的结构示意图如图3所示。其基本结构为：将适当划分的n个操作步骤单流向串联起来。流水线操作的最大特点和要求是，数据流在各个步骤的处理从时间上看是连续的，如果将每个操作步骤简化假设为通过一个D触发器(就是用寄存器打一个节拍)，那么流水线操作就类似一个移位寄存器组，数据流依次流经D触发器，完成每个步骤的操作。流水线设计时序如图4所示。 流水线设计的一个关键在于整个设计时序的合理安排，要求每个操作步骤的划分合理。如果前级操作时间恰好等于后级的操作时间，设计最为简单，前级的输出直接汇入后级的输入即可；如果前级操作时间大于后级的操作时间，则需要对前级的输出数据适当缓存才能汇入到后级输入端；如果前级操作时间恰好小于后级的操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流，或者在前级对数据采用存储、后处理方式，否则会造成后级数据溢出。

　　设计数据接口同步是否需要添加约束
　　建议最好添加适当的约束，特别是对于高速设计，一定要对周期、建立、保持时间等添加相应的约束。
这里附加约束的作用有两点：
　　a. 提高设计的工作频率，满足接口数据同步要求。通过附加周期、建立时间、保持时间等约束可以控制逻辑的综合、映射、布局和布线，以减小逻辑和布线延时，从而提高工作频率，满足接口数据同步要求。
　　b. 获得正确的时序分析报告。几乎所有的FPGA设计平台都包含静态时序分析工具，利用这类工具可以获得映射或布局布线后的时序分析报告，从而对设计的性能做出评估。静态时序分析工具以约束作为判断时序是否满足设计要求的标准，因此要求设计者正确输入约束，以便静态时序分析工具输出正确的时序分析报告。
　　Xilinx和数据接口相关的常用约束有Period、OFFSET_IN_BEFORE、OFFSET_IN_AFTER、OFFSET_OUT_BEFORE和OFFSET_OUT_AFTER等；Altera与数据接口相关的常用约束有Period、tsu、tH、tco等。