FPGA入门之我见

只看该作者 · 2012-10-9 21:32

1.写在前面
很早就想写这么篇短文，和大家交流学习的些许经验和心得。但一直有各种干扰，致使一拖再拖，这阵子赶上米国佬过圣诞，咱也忙里偷闲，赶紧把这篇短文码掉。。嘿嘿。

2.为什么要写
群里时常有新人呈周期性的问诸如，“我该如何学HDL？”，“非阻塞和阻塞有啥区别？”之类的问题。在此，笔者扯两句自己的学习体会，对这些问题一并予以回答。

3.English required
英文资料不一定能培养出优秀的FPGA工程师，但拒绝英文资料的工程师至多是个合格的工程师。

如图所示，纵轴代表综合水平，横轴代表时间，理论决定了由经验带动的水平提升的上限。而如果能经常参考英文资料，上限可以适当提高，如图中的虚线。
在一开始便强调英文的重要性是因为学习FPGA第一手的资料是大量的官方资料，如tutorial，user guide，cock book，handbook，application note，white paper等。
读者不能指望永远参考翻译的二手资料吧，何况很多还都严重脱节行业发展现状。

只看该作者 · 2012-10-9 21:32

4.FPGA不是单片机
关于这点，很多人反复强调，但遗憾的是，把FPGA当单片机玩的人仍前赴后继。笔者琢磨着有可能是入门方法有误。
回想一下我们是咋学单片机的？买一本教材，了解一下IO口和控制字，然后开始画流程图，用C编程，做各种经典实验。
而当转到FPGA时，很自然的会借鉴“单片机模式”，买一本HDL的书，发现Verilog和C长还挺像，很轻松的啃完HDL，然后就开始“编程序”。待编完后，一点按钮，一口气从综合做到PAR（ISE和QuartusII都能一个按钮跑整个flow），然后仿真。仿真OK？皆大欢喜。不OK？改code。咋改？不清楚。
这个过程中最大的问题在于把FPGA最大的硬件本色当成黑盒处理：黑盒的输入是code，输出是仿真。
当把黑盒漂白成白盒，大致知道这盒子里有些啥，干了些啥，那在笔者看来才算是入门了。漂白粉是啥同志们应该猜到了：FPGA的结构。
推荐阅读：
a) 采用Cyclone与Cyclone-II系列器件进行设计.pdf
b) altera: Cyclone II Device Handbook.volume1
c) xilinx: ug380~ug389(spartan6)

只看该作者 · 2012-10-9 21:32

5.HDL不是C，结构决定HDL
上面说到FPGA的结构是漂白粉，这节承接上文继续：
时序逻辑的敏感列表为啥只能有时钟和复位？如下：
always@（posedge clk or negedge rst_n）
而不能再加个使能：
always@（posedge clk or negedge rst_n or posedge CE）
也不能双沿触发：
always@（posedge clk or negedge clk）
也不能沿触发 + 电平触发：
always@（posedge clk or gated_logic）
这一切究竟是为啥呢。。
无他，结构如此。下图是cycloneII的一个基本单元LE（logic element）：

右下角那个寄存器看到了吧，单沿触发，异步复位，同步使能。所谓结构决定HDL也。
顺便再看一下寄存器的复位端有个小圆圈，表示低电平复位，所以我们这样写：
always@（posedge clk or negedge rst_n）
再截个spartan3E的：

看出点名堂了吧。xilinx的寄存器是高电平复位，所以如果你是xilinx用户，那就要这样写：
always@（posedge clk or posedge rst_n）
再来说一个经典的模型：FSM。为什么FSM推荐使用one-hot编码？如果读者有兴趣，可以做一个实验，会发现one-hot的解码电路一般都是小于4输入，也就是能用一个4输入LUT搞定。假设FPGA中的LUT是100输入，那即使解码电路再复杂点也能hold住了不是。
推荐阅读：
a) 设计与验证：Verilog HDL。
b) Verilog HDL 程序设计与应用王伟编
c) Clifford E. Cummings的论文，http://www.sunburst-design.com/papers/
d) 大唐电信FPGACPLD数字电路设计经验分享

只看该作者 · 2012-10-9 21:33

6.掌握主动权

由于综合器的算法限制，只有当我们的HDL满足一定的coding style，才能映射出我们想要的东西，比如前面说的对寄存器的建模对敏感列表的限制和要求。而有些复杂元件要求的coding style则更复杂，比如memory、乘法器。

这时更好的选择是直接调用软件提供的各种module，altera使用megawizard，xilinx使用core generator。这样不但直接告诉综合器我想要的是什么，把解释权掌握在设计人员自己手里，而且由于这些module一般都是经过优化（基于器件）后的网表，性能上会比自己写的更好，更灵活。

当然调用module也意味着在不同vendor之间转换将成为一个额外的问题。所以有些设计为了兼容各家的产品而故意不使用module。

到这里为止，经常是新人止步的地方，即所有的精力和视野都放在数字前端。要成为高手，后端的内容具有一票否决权。

7.综合（synthesis）与映射（mapping）

由于synplify廉颇老矣，外加两家vendor，altera有了自己的Qis，xilinx有了自己的XST，使得整个设计流程都已经高度集成化。集成化带来了方便，相对的也容易使刚入门的人犯晕。在此笔者不多做解释，直接上图比较，相信能说明问题。

***************************************************

module training(clk, rst_n, ce, ina, inb, outa);

input clk;

input rst_n;

input ce;

input ina;

input inb;

output outa;

reg ina_reg1;

reg ina_reg2;

reg ina_reg3;

reg inb_reg1;

reg inb_reg2;

reg inb_reg3;

reg outa;

always@(posedge clk)

begin

ina_reg1 <= ina ;

ina_reg2 <= ina_reg1 ;

ina_reg3 <= ina_reg2 ;

inb_reg1 <= inb ;

inb_reg2 <= inb_reg1 ;

inb_reg3 <= inb_reg2 ;

outa <= ina_reg3 & inb_reg3;

end

endmodule

***************************************************

在altera中综合后：

映射后：

而同样的code在xilinx中综合后：

映射后：

可以看出两家vendor综合的结果是一样的，这时还没对应到具体的FPGA底层上，只是RTL级的网表。

但映射后就明显不同了，altera使用的是多个常规的寄存器，而xilinx使用的是SRL16移位寄存器（当然不是说xilinx就更好，只是这个特列更利于xilinx特性的发挥而已）；并且出现了buffer和LUT，说明映射后的网表已经对应到FPGA的底层结构上了，这时才真正具有FPGA特色。

从映射开始便进入了非新人（不一定是高手，但一定不是刚入门的）的专属领域，即数字后端。

推荐阅读：

a) 逻辑综合器的故事

只看该作者 · 2012-10-9 21:33

8.布局布线（place & route，PAR）
前几天有人问笔者：用chip planner看布局布线后的网表，为啥有些逻辑放得很近，有些放的远。
一般来说这个问题没有标准解，因为PAR具有一定随机性（seed，effort level等都会影响，甚至HDL中的一个小小改动都会影响）。当然也有一些常见的原因，比如：

上图的寄存器就处于左右为难，里外不是人的纠结状态。。
推荐阅读：
a) 2011.2.25_增量编译 by foreveryoung

9.时序
还有人还问了笔者一个问题，IO时序不太理想，怎么优化？笔者的回答是首先先做IO的register packing。而能这么做的基础是IOB中有一个寄存器专门负责处理这种情况的。还是那句话，如果了解FPGA的结构，这些问题将不再是问题。
说到时序，当然要说静态时序分析（static timing analysis，STA）。不是所有时序问题都需要做时序约束才能解决，但是不了解时序分析的基础知识，很多要求的coding style是无完美解释通的。
比如，都在说少用if-else，而要用case，为啥？答曰，因为逻辑层级少。那为啥逻辑层级少更好？
又比如，关于异步复位，大都处理成异步复位同步释放，那么为什么这种结构能有效解决亚问题的问题？
再比如，有些初学者不习惯使用PLL，而喜欢用寄存器计数分频或者门控信号作为时钟，即通常所说的ripple clock和gated clock。为什么在FPGA设计中不推荐这两类时钟？
如果有时序分析的基础，这些问题能得到很直观的理解和体会。
第八点和第九点只是告诉刚入门的新人，有这么个东西，等入门了以后表忘了有这么个领域需要攻克。
推荐阅读：
a) 通向FPGA之路---七天玩转Altera之时序篇V1.0
b) 时序优化实验部分 V1.0 by foreveryoung
9.广告
以下是我做的一些笔记。
a) 2011.2.25_增量编译 by foreveryoung
b) Netlist Viewer by foreveryoung
c) 通向FPGA之路---七天玩转Altera之基础篇V1.0
d) 通向FPGA之路---七天玩转Altera之时序篇V1.0
e) 通向FPGA之路---七天玩转Altera之验证篇V1.0
f) 状态机设计 by foreveryoung V2.0

后记：
上文提出了很多为什么，笔者没有直接给出答案，留给读者自己探索了。如果想就这些问题进行进一步交流，请加群：91968656。当然，除去因相关理论不足导致的问题，很多时候当有疑问时，首先因做的是自己尝试，然后通过观察RTL viewer或technology map viewer，仿真等手段验证。所谓大胆假设，小心求证。
好了，笔者原还想扯一下优化，但转念一想，已经扯了九点，九乃大数，便作罢。而且一次扯太多容易让人产生疲倦感。故本文到此为止。下次有机会再补充。
完