【精品博文】高级FPGA设计——第二章：面积结构设计

在上一章中，我们提到速度是FPGA设计中的重要特性，现在要说说另一重要特性：面积。

面积过大意味着成本的提升，对FPGA以及ASIC都是如此。因此，我们需要竭力控制面积，可采用以下方法：

1，折叠流水线

在上一章中提到，提高速度的方法之一就是采用流水线结构。但是流水线结构却会增大面积，因为这需要更多的资源保存中间数值，并且某些结构需要复制多个以并行执行。

以乘法器为例：

乘法器本身就是一个具有流水线结构的逻辑链，因此即便对于乘法这种复杂运算，它也能够快速计算出结果。与此同时，乘法器也是一个占用面积特别大的结构，在设计中应慎用。

既然不直接使用乘法器，我们可以利用移位和加操作来实现一个乘法操作，如下：

该方案用少量寄存器和一个加法器完成了乘法器功能，减小了逻辑面积。但同时可以看到，该乘法逻辑需要8个时钟才输出结果，即减小面积的同时也牺牲了速度。

2，资源共享

当多个模块都需要使用某一功能块，且不同时使用时，我们有2种方法：

(1) 在每个模块当中都添加一个功能块

(2) 将功能块放置在模块A/B外，模块A/B共同使用该模块

显然，方法(2)能够节约面积。

下面，用一个实例来说明。假设功能块是一个计数器，模块A需要利用计数器每256个时钟标记一个操作。模块B则需要利用计数器每512个时钟标记一个操作。虽然模块A和模块B对计数器的需求不完全一样，但是还是可以采用资源共享的方法。

设置(2)中功能块为一个9位的计数器，计数值即0-511。则该计数器既可以为模块B计数，其低8位同时也可以为模块A计数。

需要注意的是，该方法需满足：

(1) 模块A/B对计数器的起始时间要求时一样的

(2) 模块A/B的计数值呈倍数关系

3，复位对面积的影响

初学FPGA时，我被告知在设计中尽量添加复位端，因为这样可以避免很多未知态的产生，使系统更安全稳定。但是学的深入点后，才知道不必要的复位端可能会导致面积的增加。

(1) 无复位的资源

实现1：无复位

实现2：同步复位

实现1与实现2都在实现一个16位的移位寄存器，区别在于实现1无复位，实现2有复位。在xilinx器件中，存在16位的移位寄存器资源SRL16。

当采用实现1代码时，综合工具将自动调用SRL16。

但是采用实现2代码时，由于SRL16并没有定义复位，综合工具将不调用SRL16，而是利用一堆逻辑资源来搭建所需的移位寄存器，造成面积的增大。

同时，即便内置功能模块有复位模块，也需要考虑是同步复位还是异步复位。比如DSP模块就只有同步复位功能，若此时采用异步复位，也将增加面积。

同理，复位RAM是欠佳的行为，特别是当复位还是异步的。

(2) 无置位资源

同(1)理，有些资源无复位功能，有些资源无置位功能，比如8*8乘法器。

如下代码，若把16‘hffffh改为16’h0000将大大减小面积。因为8*8乘法器有复位功能但无置位功能。

(3) 利用置位/复位触发器引脚

实现1：

实现2：

实现2与实现1的区别在于，实现2利用置位端实现逻辑，从而去除或门，减小面积。同理，也可以利用复位端来去除与门。

综上，要减少面积，就应该充分利用内置功能模块的资源，不附加多余逻辑。具体来说，就应尽可能避免利用置位和复位。