数字电路FPGA的基本理论与设计技巧

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数字电路FPGA的基本理论与设计技巧

    A、c和Verilog的相同点和不同点（关键在不同点，难点是Verilog仿真语义），其中仿真语义包括阻塞与非阻塞、毛刺、同步设计与异步设计（例如同步复位和异步复位）等问题；

对基本理论与设计技巧的理解：首先要说到C与Verilog语言的区别，我感觉最大的区别就是Verilog并行编程的特点，更多的是在描述，C语言在一个时刻只能执行一条命令，Verilog增加了很多的位运算符，以及位拼接运算符。

VHDL语言中没有阻塞与非阻塞之分，相比Verilog,VHDL更适合行为级建模。

阻塞赋值的时候，等号右边的值立马传递给左边的值（也就是说右边的值计算完后左边的值立即更新操作符为“=”），完成该赋值语句才能做下一语句的操作，硬件没有对应的电路，因而综合的结果未知；非阻塞赋值（<=）在赋值的过程中分两步执行，在单位仿真周期开始时计算右边的值，在同一单位仿真周期末更新左边的值，同块内各赋值语句同时完成。两者的设计原则：

原则1：时序电路建模时，用非阻塞赋值
原则2：锁存器电路建模时，用非阻塞赋值
# j* V3 ~7 x0 T原则3：用always块写组合逻辑时，性爱用阻塞赋值
% Z" z( l+ l. f" _/ J: e+ H8 Y原则4：在同一个always块中同时建立时序和组合逻辑电路时，用非阻塞赋值
6 Y( D7 \8 a' ~, o原则5：在同一个always块中不要同时使用非阻塞赋值和阻塞赋值
原则6：不要在多个always块中为同一个变量赋值
0 h, {4 E5 v% y7 U  [! o原则7：用$strobe系统任务来显示用非阻塞赋值的变量值
4 [+ j1 R2 }) \( ^原则8：在赋值时不要使用#0延迟

2 d& Y3 c8 }1 N1 c7 _

毛刺：毛刺现象是长期困扰电子设计工程师的设计问题之一，是影响工程师设计效率和数字系统设计有效性和可靠性的主要因素。由于信号在FPGA的内部走线和通过逻辑单元时造成的延迟，在多路信号变化的瞬间，组合逻辑的输出常常产生一些小的尖峰，即毛刺信号，这是由FPGA内部结构特性决定的。毛刺现象在FPGA的设计中是不可避免的，有时任何一点毛刺就可以导致系统出错，尤其是对尖峰脉冲或脉冲边沿敏感的电路更是如此。

% p6 k* K) w+ ~: g) d* C" M0 p- iFPGA芯片是由可构造的输入输出块（IOB）、可构造逻辑块（CLB）和可编程连线资源（PIA）3种可构造单元构成的。

毛刺产生的条件：信号在FPGA器件中通过逻辑单元连线时一定存在延时。延时的大小仅和连线的长短和逻辑单元的数目有关，而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。因此，信号在器件中传输的时候，所需要的时间是不能精确估计的，当多路信号同时发生跳变的瞬间，就产生了“竞争冒险”。这时，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号就是“毛刺”。

  Y8 p1 F: M' j1 J3 o& C1 F消除毛刺的方法：①利用冗余项法②采样法③吸收法④延迟法⑤硬件描述语言法（这种方法是从硬件描述语言入手，找出毛刺产生的基本原因，改变语言设计产生满足要求的功能模块，来代替原来的逻辑功能块）。

同步设计和异步设计：包括亚稳态，保持时间问题；异步电路使用组合逻辑电路实现，没有统一的十种信号，容易产生毛刺和竞争冒险；同步电路使用组合逻辑电路电路和触发器实现电路功能，主要信号和输出信号都是由时钟驱动触发器产生，能够避免毛刺，信号稳定。异步电路的延时靠门来实现，难以预测，异步电路的优势不大。同步系统的条件：整个系统使用一个时钟源，所有信号均通过寄存器锁存，不用组合逻辑产生CLK,RESET，SET等信号，触发器不用费同步的SET或RESET进行控制，不允许用门延时和缓冲器延时来延迟时钟和信号，逻辑门延时不应比布线延时长。

9 U6 j* T" |1 A1 Q  }6 P

   B、时序分析（延时分析）和约束条件；

       时序约束主要包括周期约束和偏移约束以及静态路径约束3种，通过附加约束条件可以使综合布线工具调整映射和布局布线过程，使设计达到时序要求。附加时序约束的一般策略是先附加全局约束，然后对快速和慢速例外路径附加专门约束。附加全局约束时，首先定义设计的所有时钟，对各时钟域内的同步原件进行分组，对分组附件周期约束，然后对FPGA/cpld输入输出PAD附加偏移约束、对全组合逻辑的PAD TO PAD 路径附加约束。附加专门约束时，首先约束分组之间的路径，然后约束快、慢速例外路径和多周期路径，以及其他特殊路径。附加约束的基本作用：提高设计的工作频率；获得正确的时序分析报告；指定FPGA/CPLD引脚位置与电气标准。

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雷北城

数字电路FPGA的基本理论与设计技巧