FPGA的设计流程与关键问题以及解决方案分析

・１９６・　价值工程　ＦＰＧＡ的设计流程与关键问题以及解决方案分析　ＦＰＧＡ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｌｏｗ　ａｎｄ　Ｋｅｙ　Ｉｓｓｕｅｓ　ａｎｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　戴彪ＤＡＩ　Ｂｉａｏ　（河北工业大学，天津３００４０１）　（Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４０１，Ｃｈｉｎａ）　摘要：ＦＧＰＡ的性能随着半导体技术的发展不断提高，并凭借高可靠性、方便的反复改写功能、灵活的用户现场编程功能等优点　成为现代数字通信系统中的新宠。本文首先介绍了ＦＰＧＡ设计的一般设计流程，然后分析了设计中的关键问题产生的原因与影响，主　要包括毛刺现象、时钟歪斜以及延迟效果不佳的现状三大点，最后对相应的问题提出解决方案。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦＧＰＡ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｃｌＴｌ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ　ｒｅｗｒｉｔｔｅｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｆｉｅｌｄ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｓｔ　ｄｅｓｃｒｉｒｂｅｓ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ＦＰＧＡ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｂｕｒｒ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ，ａｎｄ　ｐｏｏｄｙ—ｄｅｌａｙ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．　关键　：ＦＰＧＡ设计流程；关键问题；解决方案　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｌｏｗ；ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　中图分类号：ＴＮ３０２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４３１１（２０１３）１８—０１９６—０２　０引言　计的效率。　应用ＦＰＧＡ设计数字电路是数字电路系统领域的主　要设计方法之一，不仅有助于改善电路的稳定性，减小　１　ＦＰＧＡ设计流程　目前，大型工程设计中最常用的设计方法是ＨＤＬ设　　ＰＣＢ的面积，而且能缩短整个系统的设计调试周期。在设　计输入法，采用自顶向下的设计流程，主要包括构思设计、计过程中，会遇到一些共同的问题，阻碍设计者的效率，下　设计输入、综合优化、功能仿真、逻辑实现、时序仿真、板级　面我将结合自身经验，对一些关键问题进行总结分析，愿　仿真与验证、配置下载等主要步骤。设计流程如图１。　ＦＰＧＡ作为当今主流的大规模可编程专用集成电路，　与相关人士分享，共同探讨相关设计技巧，提高ＦＰＧＡ设　不仅可以和ＡＳＩＣ芯片一样使电子系统小型化、低功耗，还　作者简介：戴彪（１９８６一），男，天津人，在职研究生，研究方向为　ｆｐｇａ算法。　具有高速、高可靠、开发周期短、质量稳定一系列优点。　ＦＰＧＡ在图像处理方面有自己的独特优势：基于ＦＰＧＡ的　武警部队心理数据库建设优势在于，在技术层面相对　段，主要包括Ｗｅｂ　ＵＩ界面的开发和编写程序代码。这个　目前国内外广泛使用的医学期刊数据库来说，武警部队心　过程决定了网站风格、控件布局。设计过程中需要注意关　理数据库期刊索引部分针对性强，检索查阅速度快、覆盖　键词的设计、查询功能以及结果显示。　率高、命中率高【１０ｆ，其心理领域专需关键字分析功能是目　前所有数据库都不具备的，且其具有自动化数据索引以及　⑤测试修改并完善；部署并实施。　参考文献：　【１】陈跃红，李长庚．信息技术走进外军攻心战场【Ｍ．解放军报，　２００４－１２－２２．　跨不同数据库产品的文献数据源检索功能。在功能层面，　有别于通常的心理数据库，贴近部队，针对性强，可以促进　武警部队官兵心理健康发展。　３．３实施在实施过程中，采用了软件工程原理进行　该平台的开发。　Ｉ２］郑秀伟．信息技术与心理健庚教育的整合．教改前沿，２００５，７—　８：２８－２９．　ｆ３１美军心理健康维护进展．２０１１，９（３５）：７１４—７２０．　１方双虎，姚本先．英美国家学校心理健康教育的发展现状　及趋势外国教育研究，２００９，８（３６）：１７—２３．　①分析武警部队心理健康教育数据库的需求特点及　『５１１焕林，张雁灵，王清刚，吕吉云，吴俊生，刘旭峰．白、波、瑞　按照以下顺序分步实施：　数据特征并确定其收录范围。包括咨询专家和文件检索。　三国军队和我军心理卫生的工作现状与对策［Ｄ］．中华医学会首届　２００９，１０：２５７—２６１．　②明确数据源及其数据获取方式，设计索引排序算　国际行为医学大会论文，【６】严进，李宝军．外军心理卫生工作现状及发展趋势ｆＺ］．全军　２００７．１０：２４７—２４８．　（Ｓｅａｃｈｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅ）技术，研究被索引数据库的主动调用接　医学心理学专业委员会第七次学术交流会．ｒ７］刘婷．军队院校心理健康教育的师资建设学理论，２０１１，１４．　口与被动抓取策略，最后进行数据采集、分析和整理。　法。此步骤主要是利用网络爬虫　ｅｂ　Ｃｒａｗｌｅｒ）￣搜索引擎　③设计数据库的存储结构与统一简洁的人机交互界　驻滇某部开展心理卫生工作的做法［Ｊ】．西南军医，２００７，６（９）：１０７—　面。其中在构建索引数据库和资源数据库时会用到各种开　１０８．　发工具和技术，参与设计的人员最好经过学习培训，以弥　补技术不足。在本步骤最后将完成系统分析、开发流程和　分配任务。　［９］李明贤，孙波，史勇生．某基层部队开展心理应激干预工作　『ｌＯ］Ｌｉｎ　Ｊ．Ｉｓ　ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｆｕ１１　ｔｅｘｔ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈａｎ　ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｂｓｔｒａｃｔｓ，ＭＣ　Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｅｓ．２００９Ｖ１０Ｎ：４６．　８］易晓阳．努力做好心理卫生工作提高部队官兵健康水平一　的几点做法『Ｊ］．解放军预防医学杂志，２００８，６（２６）：２１２—２１３．　④编写程序，实现数据库的开发。这是设计的核心阶　Ｖａｌｕｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　・１９７・　由于Ｄ触发器对输入信号的毛刺不大敏感，可利用Ｄ　触发器去读取带有毛刺的信号，从而达到去除毛刺的效　果。该方法能有效消除产生于非时钟跳变沿毛刺信号。然　而多数时序电路中的毛刺信号通常发生于时钟跳变沿，　此时，该方法就显得不太适用了。另外，对于级数较多的　图１　ＦＰＧＡ设计流程　系统，Ｄ触发器将会产生较大的延迟。　算法具有专用集成芯片的运算速度，可以满足高速图像处　②增加冗余项破坏竞争冒险，消除毛刺。　有卡诺图法和代数法两种方法可用于增加冗余项消　理的需要；ＦＰＧＡ具有并行处理数据的能力，能快速大数　据量的处理数据：同时还能使用ＦＰＧＡ实现如图像采集、　除竞争冒险，两者分别针对真值表和函数表达式。　图像显示的外围逻辑控制，提高系统的集成度。　２　ＦＰＧＡ设计中的关键问题分析　２．１毛刺现象的产生与影Ⅱ向在ＦＰＧＡ设计中，毛刺　现象是影响数字系统可靠有效性的关键因素，是一直困扰　着电子设计工程师的重要问题。毛刺信号的产生与ＦＰＧＡ　内部结构特性密切相关。在ＦＰＧＡ内部走线以及经过逻辑　单元时，信号将产生延时，这些多路输入信号在组合逻辑　电路中产生竞争冒险，无法同步到达，导致输出信号随输　入信号不断变化，原先所期望的状态需要经过一段时间后　才能达到，从而产生小的寄生毛刺信号，致使电路在瞬间　输出错误信号，造成逻辑功能瞬时紊乱。有时任何一点毛　刺就能使系统出错，对脉冲边沿与尖峰脉冲敏感的电路受　其影响尤其严重。主要功能是对于不同电气特性下的输　入／输出信号进行驱动和需求的匹配。单元中的ＦＰＧＡ可　以对Ｉ／０单元进行编程，使其进入较为灵活的可编程程　序，通过软件的灵活配置，对于不同的电气标准与Ｉ／Ｏ物　理特性也是运用自如：这种输入输出单元功能多元化，比　如通过上下拉电阻去调整匹配阻抗特性；可以调整输出驱　动电流的大小等。这个单元的电气标准是ＩＪＶ，ｒＩ’Ｌ、　ＬＶＣＭＯＳ、ＳＳＴＬ、ＨＳＴＬ、ＬＶＤＳ、ＬＶＰＥＣＬ、ＰＣＩ等，而且目前　随着工艺的进步，一般而言，出现的ＡＳＩＣ工艺已经可以对　于可编程Ｉ／Ｏ支持的最高频率也比较的充沛，能够适应更　高的要求，一些高端ＦＰＧＡ通过ＤＤＲ寄存器技术，甚至可　以支持高达２Ｇｂｉｄｓ的数据速率。　２．２时钟歪斜可靠的时钟在设计任何数字电路中都　占据着重要地位，是系统可靠性的关键所在。时钟大致包　括门控时钟、全局时钟以及多级逻辑时钟等几种。在　ＦＰＧＡ设计中，最严重的问题就是时钟歪斜。时钟歪斜是　指“在系统不同的元件处检测到有效的时钟跳变沿所需的　时间差异。”时钟歪斜的程度直接关系到各元件建立保持　时间。如果从一边沿敏感存储器的输出到下一级输入的延　迟小于歪斜的程度，将丢失位移寄存器的数据，导致同步　计数器输出出错。　２．３延时效果不佳，有待改善在ＦＰＧＡ中，开发软件　在实施综合优化这一步骤时，会将串接在某一信号后用作　延迟的“非门”和其它电路当作冗余逻辑而去掉，难于达到　延迟效果。虽然可以通过调用延迟线模块或者插入　ＬＣＥＬＬ原语的方法来产生一定的延迟，但在ＦＰＧＡ芯片　中，易受外界环境的影Ⅱ向。　３　ＦＰＧＡ设计中关键问题的解决方案　３．１消除毛刺信号的途径　①通过在输出加Ｄ触发器的传统方法去除毛刺。　③避开毛刺产生的时间段采样，减少毛刺影响。　毛刺多产生在输出信号建立的阶段，不出现在保持　时间段，故可避开毛刺产生的时间段，在输出信号的保　持时间段内对信号进行采样，从而消除毛刺信号对信号　的影Ⅱ向。　（　利用延迟消除毛刺。　延迟是造成毛刺的最终原因，可以通过寻找出延迟相　对较小的支路，在该支路上加上毛刺宽度的延迟，可消除　毛刺。值得注意的是，如果负载增加，会继续出现毛刺。此　外，当逻辑门增加，电压或者温度变化时，必须对延迟线重　新进行设计，调整所加的延迟。　⑤增加输出滤波，滤除毛刺。　因毛刺为高频窄脉冲，故可在输出端上增加含有小电　容的滤波电路，滤除产生的毛刺。该方法将变坏输出波形　的前后沿，不宜使用在中间级，当波形要求严格时，需额外　附加整形电路调整波形。　３．２减小时钟歪斜的处理办法一般情况下，在ＦＧＰＡ　内的时钟和复位线等其它全局控制线使负载过重时会导　致严重的时钟歪斜。此时，可以通过在信号线上串接线形　缓冲器的办法逐步增大驱动强度，减少时钟歪斜。　３．３延时问题解决措施对于ＦＰＧＡ中的延时，可以　通过正确设置移位寄存器和重新采样的措施来改善。其过　程如下：将需要进行延时的信号作为数据输入，然后根据　延时的需求设置移位寄存器的级数，并输出延迟后的信　号，最后在输出端通过数据时钟重新采集延迟后的数据信　号，消除延迟信号产生的误差。其中移位寄存器由高频时　钟驱动。其存在的缺点是当需要延时较长时间时，应用该　方法比较浪费资源。在使用ＶＨＤＬ语言设计时，实现延迟　时不能使用ａｆｔｅｒ语句。　综上所述，本文对影响ＦＰＧＡ设计质量的关键问题进　行了分析与探讨，并针对相关问题提出了改善其效率和可　靠性的措施与方案，但是想要探索出最有效的解决方案还　需要我们不断研究，在实践中积累经验，逐步优化设计方　案。希望本文能对ＦＰＧＡ设计者有所帮助，同时也希望在相　关人士的不懈努力下，研究出解决关键问题的最佳方案。　参考文献：　『ｌ１徐均，杨红英．ＦＰＧＡ设计中几个基本问题的分析及解决【Ｊ】．　安徽电子信息职业技术学院学报，２００７（０５）．　『２１陆维佳，潘玉．ＦＰＧＡ设计中毛刺问题的研究【ＪＪ．现代电子技　术．２００５（０６）．　『３１易克初，田斌，李刚强．ＦＰＧＡ设计中关键问题的研究『Ｊ］．电　子技术应．２００２（０７）．