【精品博文】高级FPGA设计——第一章：高速度结构设计

我们使用FPGA，除了实现预期功能之外，最关心的就是系统运行的速度，这是我们使用FPGA的最重要的原因。

FPGA中速度包含3个指标：

流量(Throughput)：每个时钟周期处理的数据量，度量为每秒的位数。

时滞(Latency)：数据输入到处理完的数据输出之间的时间，度量是时间或者时钟周期。

时序(Timing)：时序元件(带有时钟端口的元件)之间的逻辑延时。我们首要关注关键路径(最大延时路径)的延时，这些延时包括组合逻辑延时，时钟到输出延时，布线延时，建立时间，时钟偏移等。时钟的度量是时钟周期和频率。

高流量设计：

高流量设计的主要方法就是流水线设计，下面我们通过一个例子来看流水线设计是如何提高流量的。

例：求X的三次幂

非流水线版本

性能：流量=8/3(位/时钟)；时滞=3时钟；时序=关键路径中一个乘法器延时。

流水线版本

性能：流量=8/1(位/时钟)；时滞=3时钟；时序=关键路径中一个乘法器延时。

这意味着，对于一个n次迭代算法，采用流水线结构可实现流量的n倍增加。同时不会导致时滞以及时序的恶化。唯一的代价就是增加面积。

低时滞设计：

所谓低时滞，就是最小化处理时间，让数据从输入端尽可能快速的传递到输出端。

还是以三次幂为例子，若采用组合逻辑：

性能：流量=8/1；时滞=在1和2个乘法器延时之间，0时钟；时序=关键路径中2个乘法器延时。

可以看到，低时滞设计也可以使流量保持在高水平，但会引起时序上的损失。

时序：

时序指的是一个设计的时钟速度，设计中任何两个时序元件间的最大延时将决定最大时钟速度。时钟速度过大将会导致系统不稳定，这也是我们常常困扰的问题，因此时序问题非常重要。

改善时序性能有如下方法：

(1) 添加中间寄存器到关键路径

如图所示，AB为两个寄存器。第一种情况，AB之间延时为t1，则对该路径来说，最大时钟频率为1/t1(计算有简化)

第二种情况，在AB之间插入寄存器C，则对路径AB来说，最大时钟频率为1/t2,1/t3之间的最小值。t2+t3=t1,因此，最大时钟频率得以提升(计算有简化)。

(2) 并行结构

当时序不满足要求时，我们还可以重新组织关键路径，以致并行地实现逻辑结构。

如一个8位的二进制乘法器，设输入为X，X={A,B}，A是高位字段，B是低位字段。

因此X*X={A,B}*{A,B}={(A*A),(2*A*B),(B*B)}

这样延时就从8位乘法器的延时缩短为4位乘法器的延时，进而提高了最大时钟频率。

(3)展平逻辑结构

有一种逻辑称为特权逻辑，即有优先权的逻辑：

若ctrl的4位有且仅有1位会被置1，则可以展平逻辑结构

对于第一种情况，电路结构将包含一个大的选通器。而对于第二种情况，选通器将由4个小选通器组成。类似并行结构，可减小延时，提高最大时钟频率。

(4) 寄存器平衡

因为最大时钟频率取决于最坏条件路径，因此可以平衡各个寄存器间的逻辑来减少延时。简单来说，就是把最坏路径上的任务分点给其他路径来做。

对于下面代码，第一个寄存器级是由rA,rB,rC组成，第二级由Sum组成。

明显，第二级的运算比较复杂，所以其延时也会较大。因此可以考虑把第二级的部分运算放到第一级来做，如下：

第二级路径延时降低，最大时钟频率因此提高。

(5) 重新安排路径

对于下面逻辑：

假设关键路径在C和Out之间，由一个比较器和两个门串联组成，最后连接到判决的mux.

若修改逻辑如下：

则路径示意图如下：

关键路径上只有一个比较器和一个门，相较于之前逻辑，减少了一个门，从而可提高最大时钟频率。