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FPGA设计思想及基本原则探讨

2017-12-18 10:39 来源:互联网 编辑:Janet
FPGA(FiELD-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,作为专用集成电路领域中的一种半定制电路,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展下的产物。近几年来由于FPGA器件的应用十分广泛,而FPGA设计是使用FPGA器件必不可少的一部分,所以了解与掌握有关FPGA设计知识是十分必要的。 FPGA设计的基本原则及常用模块基本原则:一 面积和速度的平衡与互换;二硬件原则;三 系统原则;四 同步设计原则常用模块:一 RAM;二 FIFO;三 全局时钟资源与时钟锁相环;四 全局复位、置位信号四种常用FPGA设计思想与技巧FPGA设计思想与技巧是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设计工作种取得事半功倍的效果。常用的FPGA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。 1.FPGA设计思想之一乒乓操作“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。 FPGA设计思想及基本原则探讨 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。 图2:采用双口RAM,并在DPRAM后引入一级数据预处理模块实现用低速模块处理高速数据流。 FPGA设计思想及基本原则探讨 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。 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2.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。FPGA设计思想中的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: 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。 流水线操作设计思想 FPGA设计思想及基本原则探讨 图3:流水线设计的结构示意图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。 在WCDMA设计中经常使用到流水线处理的方法,如RAKE接收机、搜索器、前导捕获等。流水线处理方式之所以频率较高,是因为复制了处理模块,它是面积换取速度思想的又一种具体体现。 图4:流水线设计时序示意图4.数据接口的同步方法数据接口的同步是FPGA设计的一个常见问题,也是一个重点和难点,很多设计不稳定都是源于数据接口的同步有问题。 FPGA设计思想及基本原则探讨 在电路图设计阶段,一些万博国际娱乐手工加入BUFT或者非门调整数据延迟,从而保证本级模块的时钟对上级模块数据的建立、保持时间要求。还有一些万博国际娱乐为了有稳定的采样,生成了很多相差90度的时钟信号,时而用正沿打一下数据,时而用负沿打一下数据,用以调整数据的采样位置。这两种做法都十分不可取,因为一旦芯片更新换代或者移植到其它芯片组的芯片上,采样实现必须从新设计。而且,这两种做法造成电路实现的余量不够,一旦外界条件变换(比如温度升高),采样时序就有可能完全紊乱,造成电路瘫痪。 总结由于FPGA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,可以快速成品,也可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。所以电子万博国际娱乐们开发设计是在普通的FPGA上完成然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。本文主要介绍了FPGA设计的基本原则和FPGA设计的思想与技巧。
标签: FPGA
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