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电子工程师经验:FPGA设计风格须知

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在进行FPGA设计时,有很多需要我们注意的地方。具有好的设计风格才能做出好的设计产品,这一点是毋庸置疑的。那么,接下来,小编就带大家一起来看看,再进行FPGA设计时,我们都要注意哪些呢

  一.命名风格:

  1不要用关键字做信号名;

  2不要在中用VERILOG关键字做信号名;

  3命名信号用含义;

  4命名I/O口用尽量短的名字;

  5不要把信号用高和低的情况混合命名;

  6信号的第一个字母必须是A-Z是一个规则;

  7使模块名、实例名和文件名相同;

  二.编码风格

  记住,一个好的代码是其他人可以很容易阅读和理解的。

  1尽可能多的增加说明语句;

  2在一个设计中固定编码格式和统一所有的模块,根从项目领导者定义的格式;

  3把全部设计分成适合数量的不同的模块或实体;

  4在一个always/process中的所有信号必须相关;

  5不要用关键字或一些经常被用来安全综合的语法;

  6不要用复杂逻辑;

  7在一个if语句中的所有条件必须相关;

  三.设计风格

  1强烈建议用同步设计;

  2在设计时总是记住时序问题;

  3在一个设计开始就要考虑到地电平或高电平复位、同步或异步复位、上升沿或下降沿触发等问题,在所有模块中都要遵守它;

  4在不同的情况下用if和case;

  5在锁存一个信号或总线时要小心;

  6确信所有寄存器的输出信号能够被复位/置位;

  7永远不要再写入之前读取任何内部存储器(如SRAM)

  8从一个时钟到另一个不同的时钟传输数据时用数据缓冲,他工作像一个双时钟FIFO;

  9在VHDL中二维数组可以使用,它是非常有用的。在VERILOG中他仅仅可以使用在测试模块中,不能被综合;

  10遵守register-in register-out规则;

  11像synopsys的DC的综合工具是非常稳定的,任何bugs都不会从综合工具中产生;

  12确保FPGA版本与ASIC的版本尽可能的相似,特别是SRAM类型,若版本一致是最理想的;

  13在嵌入式存储器中使用BIST;

  14虚单元和一些修正电路是必需的;

  15一些简单的测试电路也是需要的,经常在一个芯片中有许多测试模块;

 16除非低功耗不要用门控时钟;

  17不要依靠脚本来保证设计。但是在脚本中的一些好的约束能够起到更好的性能(例如前向加法器);

  18如果时间充裕,通过时钟做一个多锁存器来取代用MUX;

  19不要用内部tri-state, ASIC需要总线保持器来处理内部tri-state;

  20在top level中作pad insertion;

  21选择pad时要小心(如上拉能力,施密特触发器,5伏耐压等);

  22小心由时钟偏差引起的问题;

  23不要试着产生半周期信号;

  24如果有很多函数要修正,请一个一个地作,修正一个函数检查一个函数;

  25在一个计算等式中排列每个信号的位数是一个好习惯,即使综合工具能做;

  26不要使用HDL提供的除法器;

  27削减不必要的时钟。它会在设计和布局中引起很多麻烦,大多数FPGA有1-4个专门的时钟通道;

  四.严格遵守

  1、 禁止使用时钟或复位信号作数据或使能信号,也不能用数据信号作为时钟或复位信号,否则HDL 综合时会出现时序验证问题。

  2、 同一个模块中不建议同时使用上升沿和下降沿两种边沿触发方式

  3、 复位后,确保所有的寄存器必须被初始化,防止出现不可预测的状态

  4、 严禁模块内部使用三态、双向信号

  在内部由于需要,要使用双向信号时,如某sdram接口模块有:inout sdram_bus,可以在顶层模块中对此总线做拆分处理,分别为:sdram_in, sdram_out, sdram_en三个信号控制, 并在顶层进行双向总线建模,如下示例代码(13):

  assign sdram_in = sdram_bus;

  assign sdram_bus = (sdram_en == 1’b1) sdram_out : ‘bz;

  示例代码13 双向总线建模

  5、 可综合版本严禁使用延时单元(如: test_r = #5 test),清楚其他不可综合的系统任务,如:读写文件

  6、 建议时序逻辑中建议一致使用非阻塞赋值,组合逻辑中一致使用阻塞赋值

  7、 在组合逻辑进程中,其敏感向量表中要包含所有要读取的信号,防止仿真与综合结果不一致,如示例代码(14)[p]

  always @ (a or c) always @ (a or b or c)

  begin begin

  d1 = a c; d1 = a c;

  d2 = b | c; d2 = b | c;

  end end

  糟糕的风格 良好的风格

  此例的糟糕风格代码中,仿真模型中过程快只对数据a、c敏感,而忽略了b,但在综合模型中综合结果是对a、b、c都敏感的,两者的差异会导致仿真结果与综合结果有可能不一致。分析如下:

  当数据c与a、b同步(有固定的相位差),且c的变化频率平稳且大于或等于a、b时则仿真结果与综合结果是一致的,否则,就会造成仿真结果的错误,误导我们对设计做出错误的判断

  8、 代码中避免使用*、/等复杂的数学运算,在运算双目中数据较大时,速度就会很慢,导致关键路径,因而一般采用定制内核方式,实现上述的复杂运算。

  9、 一个过程块中只包括相关信号的操作,如示例代码(15)

  always @ () always @ ()

  begin begin

  //... //...

  test1 = test0; test1 = test0;

  test3 = test2; end

  end always @ ()

  begin

  //...

  test3 = test2;

  end

  糟糕的风格 良好的风格

  10、 在FPAG中,所有时钟,以及高负载信号应约束到全局时钟管脚

  11、 在FPAG中,禁止使用门控时钟(示例代码16)、行波时钟

  assign clk50m_ctl = clk_50m_en clk50m;或

  always @ (posedge clk50m)

  begin

  clk50m_ctl = clk_50m_en clk50m;

  end

  示例代码16 门控时钟

  12、 在FPGA中如果需要对时钟分频,必须采用 FPGA自带PLL(Altera)/DLL(Xilinx)进行分频

  13、 禁止在例化时的端口连接上使用组合逻辑

  14、 所有pin脚输入数据必须经过一级寄存,滤除毛刺,确保数据的稳定性以及保证建立时间(Tst)

  15、 所有pin脚输出数据必须经过一级寄存,确保下游器件的数据保持时间Th顶层只允许存在例化,不允许有功能代码

五.强烈建议

  1、 声明多位的变量(寄存器)时,使用由高到的的方式:reg [31:0] addr;

  2、 声明寄存器组时,寄存器的位数由高到低,维数由低到高: reg [32-1:0] mem [0:15]

  3、 if -else嵌套不超过7层,case语句要有保护语句default

  4、 在verilog语法中, if...else if ... else 语句是有优先级的,一般说来第一个if的优先级最高,最后一个else的优先级最低。如果描述一个编码器,在XILINX的XST综合参数就有一个关于优先级编码器硬件原语句的选项Priority Encoder Extraction.而case语句是平行的结构,所有的case的条件和执行都没有“优先级”。而建立优先级结构会消耗大量的组合逻辑,所以如果能够使用case语句的地方,尽量使用case替换if...else结构。

  5、 在无明确要生成锁存器时,要写完整的选择分支,避免产生锁存器

  6、 采用2段式或3段式FSM做设计,尽量避免采用1段式

  7、 建议模块所有输入信号经过一级寄存器,缩短组合逻辑路径

  8、 一行程序以小于80 字符为宜,不要写得过长

  在例化时(即不同模块的端口绑定),尽量使用名字关联,不要使用位置联。这样有利于调试和增加代码的易读性。

  六.推荐使用

  1、 尽量使用无路径的“include”命令行; HDL应当与环境无关,如示例代码(17):

  `include “../mem_map.inc” `include “mem_map.inc”

  示例代码15 糟糕的风格 示例代码15良好的风格

  2、 在不同的层级上使用统一的信号名;容易跟踪信号,网表调试也容易

  3、在顶层文件模块中,在开始的时间标度命令中写 “timescale 1ns/10ps”; 子模块就不要写了。便于统一修改。综合时,也容易注释掉。

【编辑总结】:好了,说到这里,想必大家对我们的FPGA设计风格和必知事项已经有了一定的了解了。学以致用,那么接下来的话,就要将这些规则应用到我们的实践之中。希望感兴趣的你们在看完这篇文章后,能够自己去实践实践,加深印象。

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