编写具有100%可靠性代码的几个技巧

wozuishuai

您编写的代码是不是虽然在仿真器中表现正常，但是在现场却断断续续出错？要不然就是有可能在您使用更高版本的工具链进行编译时，它开始出错。您检查自己的测试平台，并确认测试已经做到100%的完全覆盖，而且所有测试均未出现任何差错，但是问题仍然顽疾难除。
1 _! r* T" Z0 N3 V; ?虽然设计人员极其重视编码和仿真，但是他们对芯片在FGPA中的内部操作却知之甚少，这是情有可原的。因此，不正确的逻辑综合和时序问题（而非逻辑错误）成为大多数逻辑故障的根源。
- p, W% E: E& p但是，只要设计人员措施得当，就能轻松编写出能够创建可预测、可靠逻辑的FPGA代码。
5 q0 E, P, z' \在FPGA设计过程中，需要在编译阶段进行逻辑综合与相关时序收敛。而包括I/O单元结构、异步逻辑和时序约束等众多方面，都会对编译进程产生巨大影响，致使其每一轮都会在工具链中产生不同的结果。为了更好、更快地完成时序收敛，我们来进一步探讨如何消除这些差异。
I/O 单元结构
所有FPGA都具有可实现高度定制的I/O引脚。定制会影响到时序、驱动强度、终端以及许多其它方面。如果您未明确定义I/O单元结构，则您的工具链往往会采用您预期或者不希望采用的默认结构。如下VHDL代码的目的是采用“sda: inout std_logic;”声明创建一个称为 sda 的双向I/O缓冲器。
tri_state_proc : PROCESS (sys_clk)BEGINif rising_edge(sys_clk) thenif (enable_in = '1') thensda <= data_in;elsedata_out <= sda;sda <= 'Z';end if;end if;END PROCESS tri_state_proc;
当综合工具发现这组代码时，其中缺乏如何实施双向缓冲器的明确指示。因此，工具会做出最合理的猜测。
实现上述任务的一种方法是， 在FPGA的I/O环上采用双向缓冲器（事实上，这是一种理想的实施方式）。另一种选择是采用三态输出缓冲器和输入缓冲器，二者都在查询表 (LUT) 逻辑中实施。最后一种可行方法是，在I/O环上采用三态输出缓冲器，同时在LUT中采用输入缓冲器，这是大多数综合器选用的方法。
: W4 B' ]8 c# p% G这三种方法都可以生成有效逻辑，但是后两种实施方式会在I/O引脚与LUT之间传输信号时产生更长的路由延迟。此外，它们还需要附加的时序约束，以确保时序收敛。FPGA编辑器清晰表明：在图1中，我们的双向I/O有一部分散布在I/O缓冲器之外。

2 T0 N/ z9 ?; ^教训是切记不要让综合工具猜测如何实施代码的关键部分。即使综合后的逻辑碰巧达到您的预期，在综合工具进入新版本时情况也有可能发生改变。
应当明确定义您的I/O逻辑和所有关键逻辑。以下VHDL代码显示了如何采用Xilinx? IOBUF原语对I/O缓冲器进行隐含定义。另外需要注意的是，采用相似方式明确定义缓冲器的所有电气特性。
sda_buff: IOBUFg e n e r i c m a p ( I O S TANDARD =>"LVCMOS25",IFD_DELAY_VALUE => "0", DRIVE =>12,SLEW => "SLOW")port map(o=> data_out, io=> sda,i=> data_in, t=> enable_in);

0 d# B/ F1 T) a5 O( S在图2中，FPGA编辑器明确显示，我们已完全在I/O缓冲器内部实施了双向I/O。
9 C5 G( E7 k& ^: s) ]. Y异步逻辑的劣势异步代码会产生难以约束、仿真及调试的逻辑。异步逻辑往往产生间歇性错误，而且这些错误几乎无法重现。另外，无法生成用于检测异步逻辑所导致的错误的测试平台。
5 ?* y/ Z9 h# {. P) P0 }* `虽然异步逻辑看起来可能容易检测，但是，事实上它经常不经检测；因此，设计人员必须小心异步逻辑在设计中隐藏的许多方面。所有钟控逻辑都需要一个最短建立与保持时间，而且这一点同样适用于触发器的复位输入。以下代码采用异步复位。在此无法为了满足触发器的建立与保持时间需求而应用时序约束。
/ N9 h8 @4 I. I' ~data_proc : PROCESS (sys_clk,reset)BEGINif (reset = '1') thendata_in <= '0';elsif rising_edge(sys_clk) thendata_in <= serial_in;end if;END PROCESS data_proc;
/ ]2 U8 q, s' H9 ^7 S4 t9 h下列代码采用同步复位。但是，大多数系统的复位信号都可能是按键开关，或是与系统时钟无关的其它信号源。尽管复位信号大部分情况是静态的，而且长期处于断言或解除断言状态，不过其水平仍然会有所变化。相当于系统时钟上升沿，复位解除断言可以违反触发器的建立时间要求，而对此无法约束。
- l0 `$ }; Z5 D2 ?8 y5 }- N/ u- L4 sdata_proc : PROCESS (sys_clk)BEGINif rising_edge(sys_clk) thenif (reset = '1') thendata_in <= '0';elsedata_in <= serial_in;end if;end if;END PROCESS data_proc;
只要我们明白无法直接将异步信号馈送到我们的同步逻辑中，就很容易解决这个问题。以下代码创建一个称sys_reset 的新复位信号，其已经与我们的系统时钟sys_clk同步化。在异步逻辑采样时会产生亚稳定性问题。我们可以采用与阶梯的前几级进行了‘与’运算的梯形采样降低此问题的发生几率。
; X' j6 ?1 W  x! z! qdata_proc : PROCESS (sys_clk)BEGINif rising_edge(sys_clk) thenreset_1 <= reset;reset_2 <= reset_1 and reset;sys_reset <= reset_2 and reset_1and reset;end if;if rising_edge(sys_clk) thenif (sys_reset = '1') thendata_in <= '0';elsedata_in <= serial_in;end if;end if;END PROCESS data_proc;
  ]7 {1 b) E8 f+ b& }; S至此，假定您已经慎重实现了所有逻辑的同步化。不过，如果您不小心，则您的逻辑很容易与系统时钟脱节。切勿让您的工具链使用系统时钟所用的本地布线资源。那样做的话您就无法约束自己的逻辑。切记要明确定义所有的重要逻辑。
以下VHDL代码采用赛灵思 BUFG原语强制sys_clk进入驱动低延迟网络(low-skew net) 的专用高扇出缓冲器。
gclk1: BUFG port map (I => sys_clk,O=> sys_clk_bufg);data_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)BEGINif rising_edge(sys_clk_bufg) thenreset_1 <= reset;reset_2 <= reset_1 and reset;sys_reset <= reset_2 and reset_1and reset;end if;if rising_edge(sys_clk_bufg) thenif (sys_reset = '1') thendata_in <= '0';elsedata_in <= serial_in;end if;end if;END PROCESS data_proc;
某些设计采用单个主时钟的分割版本来处理反序列化数据。以下VHDL代码（nibble_proc进程）举例说明了按系统时钟频率的四分之一采集的数据。
+ N4 o% |! n0 K# kdata_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)BEGINif rising_edge(sys_clk_bufg) thenreset_1 <= reset;reset_2 <= reset_1 and reset;sys_reset <= reset_2 and reset_1and reset;end if;if rising_edge(sys_clk_bufg) thenif (sys_reset = '1') thentwo_bit_counter <= "00";divide_by_4 <= '0';nibble_wide_data <= "0000";elsetwo_bit_counter<= two_bit_counter + 1;divide_by_4 <= two_bit_counter(0) andtwo_bit_counter(1);nibble_wide_data(0)<= serial_in;nibble_wide_data(1)<= nibble_wide_data(0);nibble_wide_data(2)<= nibble_wide_data(1);nibble_wide_data(3)<= nibble_wide_data(2);end if;end if;END PROCESS data_proc;nibble_proc : PROCESS (divide_by_4)BEGINif rising_edge(divide_by_4) thenif (sys_reset = '1') thennibble_data_in <= "0000";elsenibble_data_in<= nibble_wide_data;end if;end if;END PROCESS nibble_proc;
看起来好像一切都已经同步化，但是nibble_proc采用乘积项divide_by_4对来自时钟域sys_clk_bufg的 nibble_wide_data进行采样。由于路由延迟，divde_by_4与sys_clk_bufg之间并无明确的相位关系。将divide_by_4转移到BUFG也于事无补，因为此进程会产生路由延迟。解决方法是将nibble_proc保持在sys_clk_bufg域，并且采用divide_by_4作为限定符，如下所示。
nibble_proc : PROCESS (sys_clk_bufg)BEGINif rising_edge(sys_clk_bufg) thenif (sys_reset = '1') thennibble_data_in <= "0000";elsif (divide_by_4 = '1') thennibble_data_in<= nibble_wide_data;end if;end if;END PROCESS nibble_proc
时序约束的重要性
0 U6 ^) D: q& o; R! i6 N如果您希望自己的逻辑正确运行，则必须采用正确的时序约束。如果您已经慎重确保代码全部同步且注册了全部I/O，则这些步骤可以显著简化时序收敛。在采用上述代码并且假定系统时钟为100MHz时，则只需四行代码就可以轻松完成时序约束文件，如下所示：
3 v; b" K* P  Q( |" |8 C/ i; }NET sys_clk_bufg TNM_NET =sys_clk_bufg;TIMESPEC TS_sys_clk_bufg = PERIODsys_clk_bufg 10 ns HIGH 50%;OFFSET = IN 6 ns BEFORE sys_clk;OFFSET = OUT 6 ns AFTER sys_clk;
请注意：赛灵思FPGA中I/O注册逻辑的建立与保持时间具有很高的固定性，在一个封装中切勿有太大更改。但是，我们仍然采用它们，主要用作可确保设计符合其系统参数的验证步骤。
三步简单操作
仅需遵循以下三步简单操作，设计人员即可轻松实施可靠的代码。
? 切勿让综合工具猜测您的预期。采用赛灵思原语对所有 I/O 引脚和关键逻辑进行明确定义。确保定义 I/O 引脚的电气特性；? 确保逻辑 100% 同步，并且让所有逻辑参考主时钟域；? 应用时序约束确保时序收敛。
" P7 w5 f* J. f; k- U3 Q只要遵循上述三个步骤，您就能够消除综合与时序导致的差异。扫除这两个主要障碍会让您获得具有100%可靠性的代码。
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vava

大多数系统的复位信号都可能是按键开关，或是与系统时钟无关的其它信号源