进行FPGA代码实现过程中的问题及解决办法

问题描述

在做一些项目的时候，拿到算法模型之后，开始进行FPGA代码的实现，在最开始的实现过程中，由于缺乏经验，往往只考虑实现功能，在资源的使用上不够“抠”，耗费了大量的LUT、FF、RAM、BUFG、DSP等各种资源，造成的后果：

1，资源使用超标，超过FPGA芯片资源总量，无法编译通过；

2，资源使用过量，使得资源余量较低，布局布线困难，容易产生时序问题；

3，资源使用过量，虽然时序没有问题，但资源使用过多，会使整个FPGA芯片的功耗增大，从而造成整个硬件模块的功耗增大，不仅会增大能耗，耗费成本，如果此时设备散热不好，在一定的高温条件下，会使芯片及设备功能异常，无法进行工作。

因此，在使用FPGA进行算法实现，及编码过程中，在设计初期就必须考虑降低功耗。

解决方法

一般来说，对于FPGA芯片，使用的资源越多，功耗越大；使用的时钟频率越高，功耗越大。而资源和时钟，也就分别代表了我们经常说的FPGA的面积和时间，这两个东西往往是矛盾的，所以这也涉及到FPGA的“哲学”问题——面积和时间的平衡。

我简单回顾了一下，以往使用到的降功耗的策略（不够完整，想起了再加；不够细节，有些策略涉及到具体代码才能体现），主要有以下部分：

1、巧用RAM

RAM一般是资源中较为吃紧的资源，我之前碰到过的瓶颈一般都在RAM，对于RAM来说，数据位宽很重要，合理的位宽会减少RAM的使用，比如两个1bit的RAM，例化两个分开的RAM，就不如拼起来用一个2bit的RAM。

而对于18kRAM来说，2bit位宽也是极大的浪费，用满18bit位宽应是最佳的选择。

在深度较低时，还可以适当选用RAM－based shift Register。

2、懂得复用

在处理时钟较高的情况下，可以对某些模块进行分时复用，这样虽然只例化了少量模块，但在一定时间内，可以通过高处理时钟，多次利用该模块进行运算。

这样就可用少量资源实现多次运算，减少例化，通信工程中的数字同步往往利用了该原理。

3、降低时钟频率

除非有特别高的处理要求，否则在设计初期，如果时钟频率能够满足要求，则不建议采用更高的处理时钟频率，频率越高，带来的功耗影响是很大的。

在高处理时钟频率下，布局布线也容易产生时序问题。而在一些对性能要求很高的通信系统中，处理时钟频率往往是很高的，这就对工程师的编码能力提出了更高的要求，在编码初期就要考虑如何写代码，才能让时序更优。

4、学会关闭时钟

对于vivado工程来说，善用时钟的BUFGCE功能，在某些模块不需要进行运算的时候，直接关闭该模块的时钟，将带来极大的功耗收益。

但该方法力求精准，不注意的话将引起功能问题。

5、学会关闭模块功能

对于整个硬件模块来说，在控制上，对于闲置的硬件模块或外围器件，要学会关闭，进行模块级的功耗最优化。

6，降采样率

一般来说，对于数字接收处理中的某些步骤(如帧同步等)，采样率越高，性能越好，而相对而言，采样率越高，资源消耗越大。这时就需要找到最佳的采样率，达到性能与资源的平衡，采样率达到一定程度，使得帧同步不再是性能瓶颈，则可以采用。

7，不写冗余逻辑

毫无疑问，冗余的逻辑会增加资源的负担，从设计的角度，多考虑下不同的方法，找到最合适最简单的方法，也许有些多余的模块直接就可以省下。一千个人有一千个哈姆雷特，多和有经验的人学习。

8，学会资源之间互相转化，合理配比

资源之间是可以互换的，RAM，LUT，FF之间都可以互换，如果某一项资源紧张，则可以考虑用其他资源代替。资源之间保持合理配比，如LUT和FF的比例一般为2：1最好。

9，减少不必要的大功率接口组件

有些接口组件如GTX等，功率消耗较大，特别是在线速率较高时，因此应尽量减少使用数量。

10，。。。

这会只想到这么多，后面想起再加吧。

审核编辑：刘清