如何合理优化FPGA架构设计及配方法

如果符合一些简单的设计原则，采用最新的Xilinx7系列FPGA架构上实现无线通信。Xilinx公司已经创建了典型无线数据路径的设计范例，表明中速级(-2)器件上使用的几乎100%的 slice资源都支持500 MHz以上的时钟频率。如何真正时序高速设计，需要注意一下几点

影响时钟频率的基本规则

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DSP48 slice数与时钟速率成反比

一般来说DSP48 slice数与时钟速率成反比。Block RAM资源也按照阶跃函数随时钟速率降低。这在无线电信号处理设计中较常见，其中Block RAM基本上用来按照相对高的采样率存储大量函数运算的系数集合，例如，DDS（直接数字合成器）的正弦/余弦值，峰值抵消脉冲产生器中的CFR （波峰因数衰减）系数，或DPD （数字预失真）模型中的非线性函数抽样。

所以，提供时钟频率能够降低Slice和BlockRAM的资源利用，当时钟频率从368.64转换至491.52 MHz（1.33时钟比） ，按照比例LUT和FF的数据量分别减少了1.34和1.44倍。将时钟速率从245.76放大一倍至491.52 MHz，这些数据减少了1.8倍和1.7倍。这种非线性行为基本上是为执行信号处理控制逻辑，不需要按照时钟频率进行线性放大。

02

信号采样率也影响资源利用率

采样速率为25 Msamples/sec的滤波器带宽在250 MHz运行时与带宽在500 MHz运行时相比所需的逻辑资源略降低两倍。采样速率为500 Msamples/sec的多相实现带宽在250 MHz运行时与带宽在500 MHz时相比，所需的逻辑资源增加两倍。对逻辑资源使用的一阶估计是时钟频率增加x倍相当于逻辑利用率减少0.85至1.1倍

高速设计其他注意事项

01

流水线设计

适当的流水线程序当然是设计高速程序的关键因素，所有的高速设计都推崇流水线设计，在此不做详细描述

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合理使用BlockRAM

需要构建一个以上Block RAM的存储时，可通过选择最大限度地减少数据复用和资源利用的配置优化速度。举例来说， 存储16位数据的16K存储器最好使用16K × 1位的Block RAM进行构建，而不是1K × 16位的Block RAM.

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正确使用DSP Slice

DSP slice逻辑本质上可支持较高的时钟速率。逻辑电平与数据路由路径的数量限制了速度，因此在构建高速设计时应在每一个或两个LUT电平上插入一个寄存器

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合理的层次结构

定义合理的层次结构，按照逻辑分区将设计划分成相应的功能模块。这种层次结构提供便于在层次边界寄存输出的方法，从而限制特定模块的关键路径。这样分析和修复在单一模块中定位的时序路径就很容易。实际上，定位超高时钟速度时，应在层次结构的一些层级使用多个寄存器级，以优化时序并为后端工具留下更多设计空间。好的设计层次结构应该将相关的逻辑集成在一起，使得区域分组和逻辑压缩更为有效；

建立适当的层次结构可在多个模块时获取可重复结果

在模块级应用实现属性，可令代码简单并具可扩展性，该属性可传播该模块中声明的所有信号

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良好的时钟管理和时钟分配方法

尽可能减少独立主时钟数量

将时钟元件放在设计层次结构的顶层，以便在多个模块共享时钟，这将减少所需的时钟资源，提高时序性能，并降低资源和功率利用率

在不相关时钟域之间使用适当的再同步技术

限制时钟“使能”的使用。实际上这条规则难以实现，原因是在多周期实现中时钟“使能”通常需要评估数据样本或操作符输出。实现有效的降低功耗技术很有效。在任何情况下，必须适当寄存时钟使能信号以删除高扇出 nets

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复位策略

最小化复位网络的大小

避免全局复位。

优选同步复位，实际上对DSP48逻辑片和Block RAM是强制的。

总结

高速设计时FPGA设计的未来，随着信号处理能力的增强，FPGA高速设计必不可少。如何合理优化FPGA架构设计是我们必须要考虑的问题。