简谈FPGA的设计规范

FPGA学习交流 2019-11-14 6011

描述

大家好，又到了每日学习的时间了，有一段时间没有正经更新了，之前有粗略地聊过FPGA的设计规范，那今天我们就详细的聊一聊FPGA做开发的时候，有哪些设计规范，从文档到工程建立等，聊一聊也许你会学到很多东西，少走很多弯路哦！
在团队项目开发中，为了使开发的高效性、一致性、正确性，团队应当要有一个规范的设计流程。按照规范来完成项目的设计开发工作，归类清晰明了的工程文件夹级别；项目应拥有良好风格和完整的文档，如设计思路与调试记录及器件选型等；代码书写高效，即统一的书写规范，文件头包含的信息完整，无论自己还是团队他人阅读便一目了然。

一、文档命名:

清晰的文档命名能够让我们思路非常的清晰，所以FPGA工程文件夹的目录要求层次鲜明，归类清晰。一个工程必须要有一个严整的框架结构，用来存放相关的文档、设计，不仅方便自己查看，也提高了项目的团队工作效率。
下面我们来举例说明:
一级文件夹为工程名
二级文件夹多个：
用以存放源文件
用以存放Testbench文件
用来存放设计思路相关类的文件
用来存放IP 核的文件
等等…

二、设计文档化：
将自己对设计的思路和调试记录在文档中，有利于以后对模块功能的添加和维护，并且在项目联调时方便项目组其他人员读代码。也方便不同厂家的FPGA之间移植，以及FPGA到ASIC的移植。如下图就是设计文档化的举例说明，文档介绍清晰，功能分析明确，有利于以后对模块功能的添加和维护。

设计思路：按照项目的要求，自顶向下的分成若干模块，分别编写功能。顶层尽量只做行为描述，逻辑描述在底层编写。模块的编写要有硬件电路思维方式，每一个模块的设计都应考虑是否存在该硬件电路，尽量采用同步设计。

三、编码风格：

每个module应存在于单独的源文件中，源文件名应与其所包含的模块名相同。每个设计都应该有一个完善的文件头，包含公司名称、设计者、设计时间、文件名、所属项目、模块名称及功能、修改记录及版本信息等内容。代码中的标识符采用传统C语言的命名方法，在单词之间用下划线分开，采用有意义，能反应对象特征、作用和性质的单词命名标识符，以此来增强程序的可读性。为避免标识符过于冗长，较长的单词可以适当的缩写。

四、代码规范：
低电平有效的信号，后缀名要用“_n”,比如低电平有效的复位信号“rst_n”
模块名和信号名统一小写
变量名要小写，如wire、reg、input、output等定义的
变量命名应按照变量的功能用英文简洁表示出来“xxx_xxx_xxx”,避免过长
采用大写字母定义常量参数，参数名小于20个字母，如parameter TIME=20
时钟信号应前缀“clk”,复位信号应前缀“rst”
对于顶层模块的输出信号尽量被寄存
三态逻辑避免在子模块使用，可以在顶层模块使用
到其它模块的接口信号按：输入、（双向）、输出的顺序定义端口
一个模块至少要有一个输入、输出，避免书写空模块
时钟事件的表达式用“posedge”或“negedge”的形式
If语句嵌套不能太多
建议不要使用include语句
建议每个模块添加timescale
代码中给出必要的注释
每个文件有个一头文件
每个文件只包含一个模块
模块名和文件名保持一致
异步复位，用if(xxx==1’b1) 或 if(xxx==1’b0)
同步时序逻辑的always block中有且只有一个时钟信号，并且在同一个沿动作
采用同步设计，避免使用异步逻辑
一般不要将时钟信号作为数据信号的输入
不要在时钟路径上添加任何buffer
在顶层模块中，时钟信号必须可见
不要采用向量定义的方式定义一组时钟信号
不要在模块内部生成时钟信号，使用pll产生
尽量不使用任务
不使用事件变量
不使用系统函数
不使用disable语句
尽量不使用forever、repeat、while等循环语句
不使用不可综合的运算符
在一个always语句中有且只能有一个事件列表
移位变量必须是一个常数
时序逻辑语块中统一使用非阻塞型赋值
组合逻辑语块中使用阻塞型赋值

五、注释规则

每个文件有一个文件头，文件头中注明文件名、功能描述、引用模块、设计者、设计时间、版权信息以及修改信息等；
对信号、参量、引脚、模块、函数及进程等加以说明，便于阅读与维护，如信号的作用、频率、占空比、高低电平宽度等。用“//”做小于1行的注释，用“/* */”做多于1行的注释。更新的内容要做注释，记录修改原因，修改日期和修改人。

六、模块规则

module例化名用u_xx_x标示；
建议给每个模块要加timescale；
不要书写空的模块，即：一个模块至少要有一个输入和一个输出；
为了保持代码的清晰、美观和层次感，一条语句应占用一行，每行限制在80个字符以内，如果较长（超出80个字符）则换行；
采用基于名字(name_based)的调用而不是基于顺序的(order_based)的调用；
模块的接口信号按输入、双向、输出顺序定义；
使用降序定义向量有效位顺序，最低位为0；
管脚和信号说明部分：一个管脚和一组总线占用一行，说明要清晰；
不要采用向量的方式定义一组时钟信号；
逻辑内部不对input进行驱动，在module内不存在没有驱动源的信号，更不能在模块端口存在没有驱动的输出信号，避免在elabarate和compile时产生warning；
在顶层模块中，除了内部的互连和module的例化外，避免在做其他逻辑；
出于层次设计和同步设计的考虑，子模块输出信号建议用寄存器；
内部模块端口避免inout，最好在最顶层模块处理双向总线；
子模块中禁止使用三态逻辑，可以在顶层模块使用；
如果能确保该信号不会被其它子模块使用，而是直接通过顶层模块输出I/O口，可以在子模块中使用三态；
禁止出现未连接的端口；
为逻辑升级保留的无用端口和信号要注释；对于层次化设计的逻辑，在升级中采用增量编译；建议采用层次化设计，模块之间相对独立。

七、线网和寄存器规则

锁存器和触发器不允许在不同的always块中赋值，造成多重驱动；
出于功能仿真考虑，非阻塞赋值应该增加单位延时，对于寄存器类型的变量赋值时，尤其要注意这一点；阻塞赋值不允许使用单位延时；
always语句实现时序逻辑采用非阻塞赋值；always语句实现的组合逻辑和assign语句块中使用阻塞赋值；
同一信号赋值不能同时使用阻塞和非阻塞两种方式；
不允许出现定义了parameter、wire、reg却没有使用的情况；
不建议使用integer类型寄存器；
寄存器类型的信号要初始化；
除移位寄存器外，每个always语句只对一个变量赋值，尽量避免在一个always语句出现多个变量进行运算或赋值。

八、表达式规则

在表达式内使用括号表示运算的优先级，一行中不能出现多个表达式；
不要给信号赋“x”态，以免x值传递；
设计中使用到的0，1，z等常数采用基数表示法书写（即表示为1'b0,1'b1,1'bz或十六进制）；
端口申明、比较、赋值等操作时，数据位宽要匹配。

九、条件语句规则

if 都有else和它对应，变量在if-else或case语句中所有变量在所有分支中都赋值；
如果用到case语句，记得default项；
禁止使用casex，case语句item必须使用常数；
不允许使用常数作为if语句的条件表达式；
条件表达式必须是1bit value；
如异步复位：
高电平有效使用“if(asynch_reset==1'b1)”，
低电平“if(asynch_reset==1'b0)”，
不要写成：
“if(！asynch_reset)”或者“if(asynch_reset==0)”；
不推荐嵌套使用5级以上if…else if…结构。

十、可综合部分规则

不要使用include语句；
不要使用disable、initial等综合工具不支持的电路，而应采用复位方式进行初时化，但在testbench电路中可以使用；
不使用specify模块，不使用===、！==等不可综合的操作符；
除仿真外，不使用fork-join语句；
除仿真外，不使用while语句；
除仿真外，不使用repeat语句；
除仿真外，不使用forever语句；
除仿真外，不使用系统任务($)；
除仿真外，不使用deassign语句；
除仿真外，不使用force,release语句；
除仿真外，不使用named events语句；不在连续赋值语句中引入驱动强度和延时；
禁止使用trireg型线网；
制止使用tri1、tri0、triand和trior型的连接；
不要位驱动supply0和supply1型的线网赋值；
设计中不使用macro_module；
不要在RTL代码中实例门级单元尤,其下列单元：(CMOS/RCOMS/NMOS/PMOS/RNMOS/RPMOS/trans/rtrans/tranif0/tranif1/rtranif0/tranif1/pull_gate)。

十一、可重用部分规则

考虑未使用的输入信号power_down，避免传入不稳定态；
接口信号尽量少，接口时序尽量简单；
将状态机（FSM）电路与其它电路分开，便于综合和后端约束；
将异步电路和同步电路区分开，便于综合和后端约束，将相关的逻辑放在一个模块内；
合理划分设计的功能模块，保证模块功能的独立性；
合理划分模块的大小，避免模块过大；
在设计的顶层（top）模块，将I/O口、Boundary scan电路、以及设计逻辑（corelogic)区分开。

十二、同步设计规则

同一个module中，要在时钟信号的同一个沿动作；
如果必须使用时钟上升沿和时钟下降沿，则要分两个module设计；
在顶层模块中，时钟信号必须可见，不在模块内部生成时钟信号，而要使用DCM/PLL产生的时钟信号；
避免使用门控时钟和门控复位；
同步复位电路，建议在同一时钟域使用单一的全局同步复位电路；
异步复位电路，建议使用单一的全局异步复位电路；
不在时钟路径上添加任何buffer；
不在复位路径上添加任何buffer；
避免使用latch；
寄存器的异步复位和异步置位信号不能同时有效；
避免使用组合反馈电路；
always有且仅有一个的敏感事件列表，敏感事件列表要完整，否则可能会造成前后仿真的结果不一致；
异步复位情况下需要异步复位信号和时钟沿做敏感量，同步复位情况下只需要时钟沿做敏感量；
时钟事件的表达式要用：
“negedge”
或
“posedge”的形式；
复杂电路将组合逻辑和时序逻辑电路分成独立的always描述。

十三、循环语句规则

在设计中不推荐使用循环语句；
在非常有必要使用的循环语句时，可以使用for语句。

十四、约束规则

对所有时钟频率和占空比都进行约束；
对全局时钟skew进行约束；
对于时序要求的路径需要针对特殊要求进行约束，如锁相环鉴相信号；
要根据输出管脚驱动要求进行约束，包括驱动电流和信号边沿特性；
要根据输入和输出信号的特性进行管脚上下拉约束；
针对关键I/O是否约束了输入信号和输入时钟的相位关系，控制输入信号在CLK信号之后或之前多少ns到达输入pad；
综合设置时，fanout建议设置为3030；
要使用输入输出模块中的寄存器，如Xinlinx公司的IOB，map properties选项pack I/O register/latches into IOBsactor需要设置成为“for input and output”，这样可以控制管脚到内部触发器的延时时间；
布局布线报告中IOB、LUTs、RAM等资源利用率应小于百分之八十；
对于逻辑芯片对外输入接口，进行tsu/th约束；对于逻辑芯片对外输出接口，进行约束。

十五、PLL/DCM

如果使用FPGA内部DCM和PLL时，应该保证输入时钟的抖动小于300ps，防止DCM/PLL失锁；如果输入时钟瞬断后必须复位PLL/DCM。
对于所有厂家的FPGA，其片内锁相环只能使用同频率的时钟信号进行锁相,如果特殊情况下需要使用不同频率的信号进行锁相，需要得到厂家的认可，以避免出时钟。

十六、代码编辑

由于不同编辑器处理不同，对齐代码使用空格，而不是tab键。

***可综合和不可综合详解***

（1）所有综合工具都支持的结构：always，assign，begin，end，case，wire，tri，aupply0，supply1，reg，integer，default，for，function，and，nand，or，nor，xor，xnor，buf，not， bufif0，bufif1，notif0，notif1，if，inout，input，instantitation，module，negedge，posedge，operators，output，parameter。
（2）所有综合工具都不支持的结构：time，defparam，$finish，fork，join，initial，delays，UDP，wait。
（3）有些工具支持有些工具不支持的结构：casex，casez，wand，triand，wor，trior，real，disable，forever，arrays，memories，repeat，task，while。

建立可综合模型的原则
要保证Verilog HDL赋值语句的可综合性，在建模时应注意以下要点：
（1）不使用initial。
（2）不使用#10。
（3）不使用循环次数不确定的循环语句，如forever、while等。
（4）不使用用户自定义原语（UDP元件）。
（5）尽量使用同步方式设计电路。
（6）除非是关键路径的设计，一般不采用调用门级元件来描述设计的方法，建议采用行为语句来完成设计。
（7）用always过程块描述组合逻辑，应在敏感信号列表中列出所有的输入信号。
（8）所有的内部寄存器都应该能够被复位，在使用FPGA实现设计时，应尽量使用器件的全局复位端作为系统总的复位。
（9）对时序逻辑描述和建模，应尽量使用非阻塞赋值方式。对组合逻辑描述和建模，既可以用阻塞赋值，也可以用非阻塞赋值。但在同一个过程块中，最好不要同时用阻塞赋值和非阻塞赋值。
（10）不能在一个以上的always过程块中对同一个变量赋值。而对同一个赋值对象不能既使用阻塞式赋值，又使用非阻塞式赋值。
（11）如果不打算把变量推导成锁存器，那么必须在if语句或case语句的所有条件分支中都对变量明确地赋值。
（12）避免混合使用上升沿和下降沿触发的触发器。
（13）同一个变量的赋值不能受多个时钟控制，也不能受两种不同的时钟条件（或者不同的时钟沿）控制。
（14）避免在case语句的分支项中使用x值或z值。

1、initial
只能在test bench中使用，不能综合。（我用ISE9.1综合时，有的简单的initial也可以综合，不知道为什么）
2、events
event在同步test bench时更有用，不能综合。
3、real
不支持real数据类型的综合。
4、time
不支持time数据类型的综合。
5、force 和release
不支持force和release的综合。
6、assign 和deassign
不支持对reg 数据类型的assign或deassign进行综合，支持对wire数据类型的assign或deassign进行综合。
7、fork join
不可综合，可以使用非块语句达到同样的效果。
8、primitives
支持门级原语的综合，不支持非门级原语的综合。
9、table
不支持UDP 和table的综合。
10、敏感列表里同时带有posedge和negedge
如：always @(posedge clk or negedge clk) begin...end
这个always块不可综合。
11、同一个reg变量被多个always块驱动
12、延时
以#开头的延时不可综合成硬件电路延时，综合工具会忽略所有延时代码，但不会报错。
如：a=#10 b;
这里的#10是用于仿真时的延时，在综合的时候综合工具会忽略它。也就是说，在综合的时候上式等同于a=b;
13、与X、Z的比较
可能会有人喜欢在条件表达式中把数据和X(或Z)进行比较，殊不知这是不可综合的，综合工具同样会忽略。所以要确保信号只有两个状态：0或1。
如：
1 module synthesis_compare_xz (a,b);
2 output a;
3 input b;
4 reg a;
5
6 always @ (b)
7 begin
8 if ((b == 1'bz) || (b == 1'bx)) begin
9 a = 1;
10 end else begin
11 a = 0;
12 end
13 end
14
15 endmodule

以上是个人整理出来的一些设计规范，有些部分有重复，但无伤大雅，适用于FPGA Verilog HDL设计，VHDL的话设计思想是一样，大同小异，大家可以举一反三，今天就聊到这里，感谢并祝好。

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