【精品博文】FPGA 时序描述语言 / 四六文摘

先明确一下这里所指的“时序”，代表一组信号的逻辑关系，而不是指延时 steptime holdtime这些时序。

想要了解为什么会有这篇文章，请参考《FPGA何去何从》系列，和《FPGA需要怎样的HLS》，这里只关注TDL的实现和带来效果。

上图为不同实现的简单对比，我现在的状态处于图中X位置，说明现在我大量采用interface的设计，开发效率和verilog还处于同一个量级（这和我一直在攒的interface ip数量有关系）。本质上TDL不是新的东西，完全是建立在interface上面的，这个和ARM SOC 建立在AXI4上是一样的。没有sv 的interface就不会有TDL，由interface到TDL又是自然而然的事情，TDL的语法几乎是建立在特定总线sv模块上面的。现在我已经攒了足够多的AXI 模块（数量应该是xilinx axi ip的4倍左右），有些模块只是几行代码，但是对TDL是很有用的。

感觉过得很快，从我开始大量使用interface做设计（写《FPGA何去何从的时候》）到现在不过半年的时间，我已经开始构建TDL的实现环境了，估计今年就可以完成。

TDL的核心就是自动例化sv 的interface和相关模块，它最终还是要生成一个sv文件的。当FPGA设计里面，对几个特定总线（AXI，AVALON或其他）大量使用，和大量复用使用总线的模块时，用脚本去自动编写代码效率提升是十分大的。而这里涉及到一个问题，我们所面临的设计是否都可以只使用特定interface（如axi）进行设计？,我的回答是可以的，不仅可以，而且设计就应该只走标准总线。想想FPGA SOC 也只是采用一种总线。

《How we get to now》讲得挺有道理，时间点就是刚刚好，modelsim直到最新版的（10.5，去年刚出的，10.4版都不行）才有效支持sv的 interface语法参数层级引用，vivado也是最近两个版本对sv的综合才勉强够用，虽然需要优化的地方很多。所以即使在一年前，想在FPGA里面大量使用interface互联设计，肯定不如意，你要面对一堆软件 BUG。《How we get to now》也说应该不止我一个人想到TDL这个点子。

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设计本来应该针对时序的，而且是面向对象的，可持续集成，容易拓展，测试，修改的。

上面这条是写到page的，下面这条才是

用最少的代码，完成最多的功能

好了，开始正文，我们来重新构建一个硬件设计生态，时序描述语言。所用的时序都是类，clock，video,axi，avalon等

从最基本的说起，最简单的时序，时钟clock，时钟对象的属性为周期，那么我们可以有这样的语法（我借鉴Ruby）。

clock_obj = Clock.new(freq:"100M")

这就是最简单的定义，那么下面就是对象的方法，Clock类都有一个分频的方法

div2_clock = clock_obj.div(2)

现在看虽然和传统的HDL差别很大，但是并不能看出怎么提升生产力。不急，来讲个复杂的，Video类。

v0 = Video.new(1080) #定义一个1080P RGB的时序v1 = Video.new(1080) #定义另一个1080P RGB的时序

我们把图像处理的模块都看成对象的方法，低通高通滤波，边缘锐化，中值滤波。

v_lpf = v0.LPF #图像0做低通滤波,参数用默认值v_hpf= v1.HPF #图像1做高通滤波，参数用默认值

如果，类中没有我们想要的方法呢，比如Video类中并没有我们想要的中值滤波，我们可以自己定义一个

def Video.medium_filter # 只要已经有了medium filter的hdl文件，和port定义满足Video要求end

然后就可以这样用

v0_mf = v_lpf.medium_filterv1_mf = v_hpf.medium_filter

最后做alpha 35%叠加输出

v_out = v0_mf.alpha(v1_mf,0.35)

上面的时序对象其实都是中间变量，完全可以把整个功能压缩成一句

v_out = Video.new(1080) .LPF.medium_filter.alpha(Video.new(1080) .LPF.medium_filter,0.35)

就这样两路1080视频滤波后叠加的代码就只是上面一行。可以看到特意"强化"了信号时序（像sv 的interface）,"弱化"了模块，传统设计“关联组信号时序”只是verilig几个相关reg，sv的interface，Qsys粗细不一的连线，现在变成实实在在的类对象，而且有自己特定的方法，这些方法就是对应了module，却不像module 例化那么麻烦，没有port inout名称，只保留核心功能。

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为了跟进一步深入说明，我们假定做一个实实在在的简单工程，4路1080P拼接成4K,看懂可能需要一些 axi 知识。

and，再假定我们还有下面这些基础模块（这些模块一些对应原厂真实IP）

DDR3 IP AXI4接口

video_to_AXI_STREAM

AXI_STREAM_to_video

AXI_STREAM_to_AXI4_WR #这个xilinx没有,把axi stream按自己的定义转成axi4,本质上就是吧addr + len 附加到 stream上

AXI4_RD_to_AXI_STREAM #这个只是简单的剔除掉除了 stream的其他信号

AXI4_packet_fifo

AXI4_burst_partition # 这个xilinx好像没有，burst切分成小块

AXI4_datawidth_convert #数据位宽转换

下面就是TDL CODE

wr_origin_1080P[3:0] = Video.new()[3:0] #直接例化4个1080P原始时序wr_orgin_axis[3:0] = wr_origin_1080P[3:0].video_to_AXI_STREAM # video 流转成 axi stream 流wr_orgin_axi4[0] = wr_orgin_axis[0].AXI_STREAM_to_AXI4_WR(addr:0) # 写到 0地址wr_orgin_axi4[1] = wr_orgin_axis[1].AXI_STREAM_to_AXI4_WR(addr:100) # 写到 100地址wr_orgin_axi4[2] = wr_orgin_axis[2].AXI_STREAM_to_AXI4_WR(addr:200) # 写到 200地址wr_orgin_axi4[3] = wr_orgin_axis[3].AXI_STREAM_to_AXI4_WR(addr:300) # 写到 300地址wr_par_axi4[3:0] = wr_orgin_axi4[3:0].AXI4_datawidth_convert( 256 ) # 转成256位宽的总线wr_pkt_axi4[3:0] = wr_par_axi4[3:0].AXI4_packet_fifo(4) # fifo 深度4,表示可以存4 packet，ddr多路读写仲裁必须要有fifo存数据wr_pkt_axi4[3:0].DDR3_IP_AXI4() # 直接调用ddr3 ip 方法，完全把仲裁 interconnect隐藏掉了rd_pkt_axi4[3:0] = AXI4.new(4)[3:0] #直接例化4个axi4 接口DDR3_IP_AXI4(rd_pkt_axi4[3:0] , [0,100,200,300]) # 从 DDR3 IP 读出axi4rd_axi_stream[3:0] = rd_pkt_axi4[3:0].AXI4_RD_to_AXI_STREAM # axi4 转成 axi streamrd_video_1080p[3:0] = rd_axi_stream[3:0].AXI_STREAM_to_video # axi stream 转成 videoK4_sync(rd_video_1080p[3:0]) #4K分辨率行场时序生成控制

上面功能基本已经写完....

未完待续

先提一点，interface 对于verilog，会有3-5倍的效率提升，TDL对于sv interface 会有10倍左右的效率提升，那么TDL对于传统的verilog会有30-50倍的效率。

什么概念呢？ A7 200T的期间，1000行代码，就能撑满资源。

【精品博文】FPGA 时序描述语言

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