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FPGA设计经验技巧，用数学思维来简化设计逻辑！资料下载
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2021-04-01
刘埃生
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从大学时代第一次接触FPGA至今已有10多年的时间，至今记得当初第一次在EDA实验平台上完成数字秒表、抢答器、密码锁等实验时那个兴奋劲。当时由于没有接触到HDL硬件描述语言，设计都是在MAX+plus II原理图环境下用74系列逻辑器件搭建起来的。
后来读研究生，工作陆陆续续也用过Quartus II、FoundaTIon、ISE、Libero，并且学习了verilogHDL语言，学习的过程中也慢慢体会到verilog的妙用，原来一小段语言就能完成复杂的原理图设计，而且语言的移植性可操作性比原理图设计强很多。
在学习一门技术之前我们往往从它的编程语言入手，比如学习单片机时，我们往往从汇编或者C语言入门。所以不少开始接触FPGA的开发人员，往往是从VHDL或者Verilog开始入手学习的。但我个人认为，若能先结合《数字电路基础》系统学习各种74系列逻辑电路，深刻理解逻辑功能，对于学习HDL语言大有裨益，往往会起到事半功倍的效果。
当然，任何编程语言的学习都不是一朝一夕的事，经验技巧的积累都是在点滴中完成，FPGA设计也无例外。下面就以我的切身体会，谈谈FPGA设计的经验技巧。
我们先谈一下FPGA基本知识：
1.硬件设计基本原则
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
速度与面积平衡和互换原则：
一个设计如果时序余量较大，所能跑的频率远高于设计要求，能可以通过模块复用来减少整个设计消耗的芯片面积，这就是用速度优势换面积的节约;
反之，如果一个设计的时序要求很高，普通方法达不到设计频率，那么可以通过数据流串并转换，并行复制多个操作模块，对整个设计采用“乒乓操作”和“串并转换”的思想进行处理，在芯片输出模块处再对数据进行“并串转换”。从而实现了用面积复制换取速度的提高。
硬件原则：理解HDL本质。
系统原则：整体把握。
同步设计原则：设计时序稳定的基本原则。
2.Verilog作为一种HDL语言，对系统行为的建模方式是分层次的
比较重要的层次有系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑级、门级、电路开关级。
3.实际工作中，除了描述仿真测试激励时使用for循环语句外，极少在RTL级编码中使用for循环
这是因为for循环会被综合器展开为所有变量情况的执行语句，每个变量独立占用寄存器资源，不能有效的复用硬件逻辑资源，造成巨大的浪费。一般常用case语句代替。
4. if…else…和case在嵌套描述时是有很大区别的
if…else…是有优先级的，一般来说，第一个if的优先级最高，最后一个else的优先级最低。而case语句是平行语句，它是没有优先级的，而建立优先级结构需要耗费大量的逻辑资源，所以能用case的地方就不要用if…else…语句。
补充：1.也可以用if…; if…; if…;描述不带优先级的“平行”语句。
5.FPGA一般触发器资源比较丰富，而CPLD组合逻辑资源更丰富
6.FPGA和CPLD的组成
FPGA基本有可编程I/O单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等6部分组成。
CPLD的结构相对比较简单，主要由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块组成。
7.Block RAM
3种块RAM结构，M512 RAM（512bit）、M4K RAM（4Kbit）、M-RAM（64Kbit）。
M512 RAM：适合做一些小的Buffer、FIFO、DPRAM、SPRAM、ROM等;
M4K RAM： 适用于一般的需求;
M-RAM： 适合做大块数据的缓冲区。
Xlinx 和 LatTIce FPGA的LUT可以灵活配置成小的RAM、ROM、FIFO等存储结构，这种技术被称为分布式RAM。
补充：但是在一般的设计中，不提倡用FPGA/CPLD的片内资源配置成大量的存储器，这是处于成本的考虑。所以尽量采用外接存储器。
8.善用芯片内部的PLL或DLL资源完成时钟的分频、倍频率、移相等操作
不仅简化了设计，并且能有效地提高系统的精度和工作稳定性。
9.异步电路和同步时序电路的区别
异步电路：
电路核心逻辑有用组合电路实现；
异步时序电路的最大缺点是容易产生毛刺；
不利于器件移植；
不利于静态时序分析（STA）、验证设计时序性能。
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