FPGA 总结001
FPGA 总结
系统架构确定，下一步就是FPGA与各组成器件之间互联的问题了。通常来说，CPU和FPGA的互联接口，主要取决两个要素：
（1）CPU所支持的接口。
（2）交互的业务。
通常来说，FPGA一般支持与CPU连接的数字接口，其常用的有EMIF，PCI,PCI-E,UPP,网口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作为总线类接口，FPGA通常作为从设备与CPU连接，CPU作为主设备通过访问直接映射的地址对FPGA进行访问。根据是否有时钟同步，通常总线访问分为同步或异步的总线，根据CPU外部总线协议有所不同，但数据、地址、控制信号基本是总线访问类型中总线信号所不能省略的。CPU手册中会对信号定义和时序控制有着详细的说明，FPGA需要根据这些详细说明来实现相应的逻辑。同时CPU还可以对访问时序进行设置，比如最快时钟，甚至所需的最小建立时间和保持时间，这些一般CPU都可以进行设置，而这些具体参数，不仅影响FPGA的实现，也决定总线访问的速度和效率。对于同步总线，只需要根据输入时钟进行采样处理即可，但对于异步总线，则需要的对进入的控制信号进行同步化处理，通常处理方式是寄存两拍，去掉毛刺。因此用于采样的时钟就与CPU所设置的总线参数相关，如采样时钟较低，等控制信号稳定后在译码后输出，一个总线操作周期的时间就会相对较长，其处理的效率也相对较低；假如采样时钟过快，则对关键路径又是一个挑战，因此合理设定采样频率，便于接口的移植并接口的效率是设计的关键点和平衡点。
对于总线型的访问来说，数据信号通常为三态信号，用于输入和输出。这种设计的目的是为了减少外部连线的数量。因为数据信号相对较多一般为8/16/32位数据总线。总线的访问的优势是直接映射到系统的地址区间，访问较为直观。但相对传输速率不高，通常在几十到100Mbps以下。这种原因的造成主要为以下因素（1）受制总线访问的间隔，总线操作周期等因素，总线访问间隔即两次访问之间总线空闲的时间，而总线操作周期为从发起到相应的时间。（2）不支持双向传输，并且FPGA需主动发起对CPU操作时，一般只有发起CPU的中断处理一种方式。这种总线型操作特点，使其可以用作系统的管理操作，例如FPGA内部寄存器配置，运行过程中所需参数配置，以及数据流量较小的信息交互等操作。这些操作数据量和所需带宽适中，可以应对普通的嵌入式系统的处理需求。
对于大数据流量的数据交互，一般采用专用的总线交互，其特点是，支持双向传输，总线传输速率较快，例如GMII/RGMII、Upp、专用LVDS接口，及SERDES接口。专用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII,专用LVDS接口一般处理在1GbpS一下的业务形式，而PCI-E，根据其型号不同，支持几Gbps的传输速率。而XAUI可支持到10Gbps的传输速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的业务传输。
对于不同所需的业务形式及处理器的类型，则可选择相应的接口形式，来传输具体的业务。现今主流FPGA中都提供的各种接口的IP。选择FPGA与各型CPU互联接口，一般选择主流的应用交互方案，特殊的接口缺少支撑IP，导致开发、调试、维护和兼容性的成本都较大，同时注意系统的持续演进的需要，如只在本项目使用一次，而下一项目或开发阶段已摒弃此类接口，则需提前规划技术路线。毕竟一个稳定、高效的接口互联是一个项目成功的基础。
不是所有的嵌入式系统都需要“高大上”的接口形式，各类低速的稳定接口也同样在FPGA的接口互联中有着重要的角色，其中UART、SPI、I2C等连接形式也非常的常见。毕竟，一个优秀的设计不是“高大上”的堆积，而是对需求最小成本的满足。适合的才是最美的。
灵活性的陷阱
如果说用一个词来描述FPGA的特性，灵活性肯定名列前茅。
FPGA的灵活性在于：
（一）I/O的灵活性，其可以通过其I/O组成各种接口与各种器件连接，并且支持不同的电气特性。
（二）内部存储器灵活性，可以通过IP生成工具生成各种深度和宽度的RAM或者FIFO等。
（三）逻辑的灵活性，内部逻辑通可生成的各种类型IP。
对于I/O接口来说，FPGA的I/O可以支持不同类型的电平和驱动能力，各I/O未定义之前其地位平等，例如一个数据信号可将其约束在任意引脚，只要其电平符合连接的规范。因此硬件工程师基于这种认识，在PCB布线时，基于布线需要，便调整其布线的顺序，例如互换两个信号的位置。通常情况上，这种调整是没有任何问题的。但是随着FPGA的接口IP核硬核化的趋势，逐渐由很多的接口IP不能支持这种调整。例如对于较早的SDRAM或者DDRSDRAM来说，在xilinx和ALTERA的FPGA上，其数据、地址信号等都是可调的。但是随着DDR2，DDR3接口的出现，其IP接口，只能支持在某个BANK并且例化结束后直接生成相应的约束文件，而这些的改动将会导致布局布线的错误。另一些例子则是一些高速SERDES的组合。例如对于XAUI接口来说，其硬核IP（ALTERA）上就不支持4组SERDES的顺序互换，这将会影响其硬核FCS的编码。如果板级连接上与PHY的顺序与FPGA例化IP的约束不一致，则其硬核PCS就不能布局布线通过（软核FCS可以支持调整）。这种灵活性认识导致硬件板级互联的问题可谓屡见不鲜，特别是系统复杂度的上升，板级连线的增加，将会导致设计人员疏忽从而掉入“灵活性的陷阱”。解决此类问题的方法。包括（1）预评估，在设计之前就在FPGA上评估所需的接口的逻辑占用、约束位置、时钟需求等等，预先评估给系统设计提供相应的数据支撑和设计参考。（2）沟通，对于设计的变更，要进行有效沟通，不能使铁路警察，各管一段。（3）设计评审，虽然老套，但每个环节上的评审能有效减少掉入类似陷阱的几率。
对于内部存储资源，大多数FPGA工程师就是拿来就用的状态。而缺少整体内部memory规划，一般来说，对于单端口、双端口、假双端口，各型芯片手册中都有明确的定义，例如xilinx的SPATAN3系列中最小RAM单元为18K。一个RAM例化最小单位就是18K。而新的器件中最小单位一般为9K。也就是说虽然工程师例化的较小的RAM，例如256*16.只有4K，但是其也占用一个最小单元，根据器件的不同而不同。而乱用双端口导致RAM资源的过分占用则是更常见的设计问题。FPGA内部对于单个RAM能够支持的真双端口是有限制的。举例说明，对于ALTERA的9K的存储单元一般支持512*18的双端口RAM。但如果是一个256*32的双端口则需要占用2个9K的存储RAM。也就是说，RAM器件的能力是有限的，这取决于RAM的外部互联线是有限的，以刚才说的256*32的双端口RAM来说，其需要数据线就是64根（双端口），对于单个RAM的连线资源来说，这是FPGA内部逻辑资源难以承受的。所以根据器件特定，合理规划内部memory资源，才能在最大限度的达到高效的利用。
FPGA内部可以例化各型IP，基于IP的复用的可以大大增加研发的进度。但是各种IP的互联之间则需对IP的特性了解清楚，明确IP是否为业务所需的IP。有的IP和工程所需可能只是名称一致，但其功能却不是你想要的。例如网口IP在MII连接方式下，是用于FPGA连接PHY的操作。如果FPGA与CPU通过MII连接，现有的IP则难以满足需求。这是因为MII连接PHY其所有的时钟都是PHY提供的。CPU的设计也是与PHY连接，其时钟也有PHY提供。而如果二者连接，就变成都等着对方提供时钟，则就变成没有时钟。这种调试问题相对来说容易解决，不过在系统规划是，就需要对整个IP是否能够满足系统的设计要求，有着明确的判断。
灵活性是FPGA最大的特性，在设计中避开那些灵活性的陷阱，才能从FPGA整体上提升设计能力，而不是做只会写Verilog的码农。毕竟FPGA设计不是软件设计，其最终要成为变成硬件承载的，每一行语句都要考虑其综合后的电路，才能真正领会FPGA设计的精髓。
从零开始调试FPGA
“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土；千里之行，始于足下。” 老子《道德经》
对于新手来说，如何上手调试FPGA是关键的一步。
对于每一个新设计的FPGA板卡，也需要从零开始调试。
那么如何开始调试？
下面介绍一种简易的调试方法。
(1) 至少设定一个输入时钟 input sys_clk;
(2) 设定输出 output [N-1:0] led;
(3)设定32位计数器 reg [31:0] led_cnt;
(4) 时钟驱动计数器开始工作
always@(posedge sys_clk)
led_cnt <= led_cnt + 1
(5)输出led信号。
assign led = led_cnt[M:N];
程序完成。
(6)设定管教约束
如果为XILINX FPGA ，在UCF文件中 NET “sys_clk” LOC = 管脚名称
如果为ALTERA FPGA ，在QSF文件中，添加 set_location_assignment 管脚名称 -to sys_clk
其他管脚，可依次类推。
(7)编译，布局、布线，生成配置文件。
XILINX 生成BIT文件。
ALTERA 生成SOF文件
(8)连接JTAG，下载相应的配置文件。
(9)观察是否闪灯(肉眼可见)。
关于闪灯的解释如下：
assign led = led_cnt[M:N]; led_cnt 为32bit的信号，需要几个闪灯，则根据输入时钟的频率和肉眼能够分辨的时间（100ms）。如输出时钟为25Mhz。则闪灯看见的位置能够分批到10hz。需分频2.5M= 32‘h2625A0,因此，则需要输出至少为led_cnt[21]位，才能看到闪灯。
虽然程序简单，但是，通过调试可以确认：
（1）首先可确定JTAG下载器的正确连接，能够正常下载下载文件。如不能，常见问题包括
(一)检查是否安装驱动。
(二)下载器是否由红灯变成黄灯/绿灯。如红灯亮一般情况下，JTAG的与电路板VCC没有供电。
(三)检查JTAG连接的线序。
(四)检查JTAG电路，检查原理图上TMS，TDI，TDO的上拉和下拉电阻是否与datasheet中一致。
通过以上四种方式，可排除绝大部分JTAG下载的错误。
（2）可以判断晶振是否起振，下载后无灯闪。
(一)首先，示波器查看晶振频率，观察晶振的输出，如无输出，查看晶振的电源和地信号，如电源正常，而晶振无反应，则更换晶振。
(二)如无示波器，也有替代的方法，通过嵌入式逻辑分析仪抓信号（任意信号）。如逻辑分析仪点击采样后无反应，则无时钟输入。
这是因为逻辑分析仪也需要时钟进行逻辑值的存储。
（3）如正常下载后闪灯，证明该FPGA板卡硬件设计上能够达到最低限度的FPGA调试状态。
最后，说明一下，为什么是闪灯而不是亮灯的程序，这是因为，首先闪灯可以判断外部晶振工作正常，并且由于LED等通常为上拉，也就是说逻辑值0表示灯亮，而也不排除某硬件工程师非要下拉。逻辑1表示亮。因此采用闪灯更加方便。
问题：为什么LED灯值为什么要上拉？
这是因为：LED上拉后，需要灯亮时电流由外部电源提供，而下拉，灯亮时电流由芯片的CMOS电路驱动。这种在设计中应避免。
架构设计漫谈（一）流驱动和调用式
勿用讳言，现在国内FPGA开发还处于小作坊的开发阶段，一般都是三、四个人，七八台机器.小作坊如何也能做出大成果。这是每个FPGA工程师都要面临的问题。架构设计是面临的第一关。经常有这样的项目，需求分析，架构设计匆匆忙忙，号称一两个月开发完毕，实际上维护项目就花了一年半时间。主要包括几个问题，一，性能不满足需求。二，设计频繁变更。三，系统不稳定，调试问题不收敛。
磨刀不误砍柴工，FPGA设计的需求分析是整个设计第一步。如何将系统的功能需求，转换成FPGA的设计需求，是FPGA架构设计的首要问题。首先， 需要明确划分软件和硬件的边界。软件主要处理输入输出、界面显示、系统管理、设备维护。而FPGA则负责大数据流的处理。
如果使用几百元FPGA实现了一个十几元单片机就能完成的功能，就算实现的非常完美，那么这是一个什么样的神设计?任何一个项目都要考虑成本，研发成本、物料成本、维护成本等等。FPGA的使用位置必定是其他器件难以企及的优势。
因此对于一个FPGA架构设计，其首先需要考虑就是性能，如没有性能的需求，其他的处理器ARM就可能替代其功能。其次就是接口，用于处理器扩展其没有的接口，作为高速接口转换。最后，需要考虑就是可维护性，FPGA的调试是非常耗时的，一个大型的FPGA的编译时间在几小时甚至更高（通过嵌入式分析仪抓信号，每天工作8小时，只能分析两到三次）。而软件调试只需make，编译时间以秒来记（这个问题可以通过提升编译服务器性能改善而不能消失，本质上要考虑可测性设计）。如果不考虑维护性和可测性，调试成本和压力就非常之大。
通常，FPGA的大部分架构设计可以采用数据流驱动的方式来实现，例子1，假设一个实现视频解压缩FPGA的设计，输入是无线接口，输出为显示屏。那么输入输出的接口基本就能确定。以数据流为驱动可以粗略划分，输入接口->解压缩模块->视频转换模块->显示接口。如需要视频缓冲，则确定是否需要连接外部存储器。那就需要确认在什么位置进行数据的缓冲。通过要支持显示的画面的质量，就能确认最大码流，同样可以计算视频解压模块和转换模块的计算能力，从而导出所需的内部总线宽度，系统频率，以及子模块个数等等。例子2，某支持通过有线电视网上网电视IP网关，同样也是输入的普通IP网络，输出为有线调试网的调试解调器。将IP报文等长填充后，在固定时隙内送入有线电视网中，同样也是基于数据流驱动的方式。
数据流驱动式架构，可以作为FPGA设计中一个最重要的架构。通常来说应用于IP领域、存储领域、数字处理领域等较大型FPGA设计都是数据流驱动式架构，主要包括输入接口单元，主处理单元，输出接口单元。还可能包括，辅助处理单元、外部存储单元。这些单元之间一般采用流水式处理，即处理完毕后，数据打包发完下一级处理。其中输入输出可能有多个，此时还需要架构内部实现数据的交换。
另一种较为常用的架构方式为调用式架构，即一般FPGA通过标准接口如PCI、PCI-E，CPCI，PCI-X，EMIF等等。各种接口，FPGA内部实现某一加速单元，如视频加速，数据处理，格式转换等操作。这种结构基本基本围绕FPGA接口、加速单元展开，属于数据的反馈类型，即处理完数据又反馈回接口模块。
其他虽然各型各样，如SOPC，如各型接口，但本质上其都是为上述架构服务的，或做配置管理替代外部CPU，或在数据流中间传递中间参数。或在内部实现CPU+协处理器的架构，因此说，无他变化。
孙子兵法云：“兵无常势，水无常形”。但是对于一种设计技术来说，没有一种固定演进的架构和设计，那么项目的整个设计层次总是推到重来，从本质上说，就是一种低水平重复。如果总结规律，提炼共性，才能在提升设计层次，在小作坊中取得大成果。
架构设计漫谈（二）稳定压倒一切
敏捷开发宣言中，有一条定律是“可以工作的软件胜过面面俱到的文档”。如何定义可可以工作的，这就是需求确定后架构设计的首要问题。而大部分看这句话的同志更喜欢后半句，用于作为不写文档的借口。
FPGA的架构设计最首先可以确定就是外接接口，就像以前说的，稳定可靠的接口是成功的一半。接口的选择需要考虑几个问题。
1， 有无外部成熟IP。一般来说，ALTERA和XILINX都提供大量的接口IP，采用这些IP能够提升研发进度，但不同IP在不同FPGA上需要不同license，这个需要通过代理商来获得（中国国情，软件是不卖钱的）。
2， 自研接口IP，能否满足时间、进度、稳定性、及兼容性的要求。
案例1设计一个网络接口在逻辑设计上相对简单，比如MII接口等同于4bit数据线的25MHZ样，而RGMII可以使用双沿125Mhz的采样专用的双沿采样寄存器完成（使用寄存器原语）。但是如何支持与不同PHY连接一个兼容性问题（所谓设计挑PHY的问题，这个问题后面详述）。
案例2:CPU通过接口连接FPGA时，如果CPU此时软复位，则有管脚会上拉，此时如果该管脚连接FPGA接口是控制信号且控制信号高电平有效，则此时FPGA逻辑必然出错。同样FPGA在配置时，管教输出高阻，如此时CPU上电且板级电路管脚上拉，则同样会导致CPU采样出错（误操作的问题）。
不能只是考虑编写verilog代码仿真能对就行，接口设计应该站在系统的角度来看问题，问题不是孤立的，还是互相联系。
设计中，如果需要存储大量数据，就需要在外部设计外部存储器，这是因为FPGA内部RAM的数量是有限的。是采用SRAM、DDR2、DDR3。这就需要综合考虑存储数据大大小，因为SRAM的容量也有限，但是其接口简单，实现简单方便，且读取延时较小。DDR2、DDR3的容量较大，接口复杂，但FPGA内部有成熟IP可用，但是读取的延时较大，从发起读信号到读回数据一般在十几个时钟周期以上。如果对数据时延有要求，需要上一次存储数据作为下一次使用，且数据量不太大（几百K到几兆），则SRAM是较好的选择。而其他方面DDR2/DDR3是较好的选择。为什么不用SDRAM或者DDR。这是因为设计完毕，采购会告诉你，市场上这样老的芯片基本都停产了。
FPGA接口在设计选择的原则就是：能力够用，简单易用。特别值得一提的是高速SERDES接口，最好使用厂商给的参考设计，有硬核则不选择软核，测试稳定后，一定要专门的位置约束，避免后面添加的逻辑拥挤后影响到接口时序，也可避免接口设计人员与最终的逻辑设计人员扯皮（不添加过多逻辑，接口是好用的）。一个分析高速SERDES的示波器，采样频率至少20G甚至更高以上，动辄上百万，出现问题，不一定有硬件条件可调试。
回到开头，如何定义“可用的”设计，稳定我想是前提，而接口的稳定性更是前提的前提。这里稳定包括，满负荷边界测试，量产、环境试验等一系列稳定可靠。而在架构设计中，就选择成熟的接口，能有效的避免后续流程中的问题，从源头保证产品的质量。
架构设计漫谈（三）时钟和复位
接口确定以后，FPGA内部如何规划？首先需要考虑就是时钟和复位。
时钟：根据时钟的分类，可以分为逻辑时钟，接口时钟，存储器时钟等；
(1)逻辑时钟取决与逻辑的关键路径，最终值是设计和优化的结果，从经验而不是实际出发：低端FPGA(cyclone spantan)工作频率在40-80Mhz之间，而高端器件（stratix virtex）可达100-200Mhz之间，根据各系列的先后性能会有所提升，但不是革命性的。
(2)接口时钟，异步信号的时序一般也是通过FPGA片内同步逻辑产生，一般需要同步化，即接口的同步化采样。某些接口的同步时钟一般是固定而精确的，例如下表所示，如SERDES的时钟尽量由该BANK的专用时钟管脚输入，这样可保证一组SERDES组成的高速接口时钟偏斜一致。
| 接口名称 |
IP输入时钟 |
备注 |
| MII |
25Mhz |
|
| RGMII/GMII |
125Mhz |
|
| XAUI |
156.25Mhz |
差分 IP内部倍频使用 |
| PCI |
33Mhz |
|
| PCI-e |
100Mz |
差分输入 IP内部倍频使用 |
(3)外部存储器时钟：这里时钟主要为LPDDR/DDR2/DDR3等器件的时钟，一般来说FPGA的接口不用工作在相应器件的最高频率。能够满足系统缓存数据的性能即可，但是一般这些IP的接口都规定了相应的最小时钟频率，因为这些接口状态机需不停进行外部器件的刷新（充电），过低的频率可能会引起刷新的问题，造成数据丢失或者不稳定。
(4)另外一些需要输出的低速时钟，例如I2C、MDIO、低速采样等操作，可以通过内部分频得到。不用通过PLL/DCM产生所需时钟。在XILINX的FPGA中，禁止PLL产生的时钟直接输出到管脚上，而ALTERA的器件可以如此操作。解决此类问题的方法可通过ODDR器件通过时钟及其180度相位时钟（反向）接入的时钟管脚分别采样0、1逻辑得到。
因为有了DCM/PLL这些专用产生时钟的器件，似乎产生任意时钟输出都是可能是，但实际例化的结果，时钟的输出只能选取某些范围和某些频率，取决于输入时钟和分频系数，CLK_OUT = CLK_IN *(M/N) 。这些分频系数基本取整数，其产生的频率也是有限的值。
复位：根据复位的分类，FPGA内部复位可以分为硬复位，逻辑复位、软复位等；
硬复位：故名思议，即外部引脚引入的复位，可以在上电时给入，使整个FPGA逻辑配置完成后，能够达到稳定的状态，这种复位重要性在于复杂单板上除了FPGA外，可能还有多个器件（CPU、DSP），其上电顺序不同，在未完成全部上电之前，其工作状态为不稳定状态。这种复位引脚可以通过专用时钟管脚引入，也可通过普通I/O引入，一般由单板MCU或者CPLD给出。
逻辑复位：则是由FPGA内部逻辑产生，例如可以通过计数产生，等待一段时间开始工作，一般等待外部某些信号准备好，另一种FPGA内部逻辑准备好的状态信号，常见的有DCM/PLL的LOCK信号；只有内部各逻辑准备好后，FPGA才能正常工作。另外FPGA内部如设计逻辑的看门狗的话，其产生的复位属于这个层次。
软复位：严格的说，应属于调试接口，指FPGA接收外部指令产生的复位信号，用于复位某些模块，用于定位和排除问题，也属于可测性设计的一部分。例如FPGA通过EMIF接口与CPU连接，内部设定软复位寄存器，CPU通过写此寄存器可以复位FPGA内部单元逻辑，通过写内部寄存器进行软复位，是复杂IP常用的功能接口。调试时，FPGA返回错误或无返回，通过软复位能否恢复，可以迅速定位分割问题，加快调试速度。
复位一般通过与或者或的方式（高电平或、低电平与），产生统一的复位给各模块使用。模块软复位信号，只在本模块内部使用。
问题：同步复位好、还是异步复位好？ XILINX虽然推荐同步复位，但也不一概而论，复位的目的是使整个系统处于初始状态，这根据个人写代码经验，这些操作都可以，前提是整个设计为同步设计，时钟域之间相互隔开，复位信号足够长，而不是毛刺。下面推荐一种异步复位的同步化方式，其电路图如下：
时钟和复位基本上每个模块的基本输入，也是FPGA架构上首先要规划的部分，而不要用到才考虑，搞的整个设计到处例化DCM或者输出LOCK进行复位，这些对于工程的可维护性和问题定位都没有益处。《治家格言》说：“宜未雨而绸缪，毋临渴而掘井。这与FPGA时钟和复位的规划是同一个意思。
架构设计漫谈（四）并行与复用
FPGA其在众多器件中能够被工程师青睐的一个很重要的原因就是其强悍的处理能力。那如何能够做到高速的数据处理，数据的并行处理则是其中一个很重要的方式。
数据的并行处理，从结构上非常简单，但是设计上却是相当复杂，对于现有的FPGA来说，虽然各种FPGA的容量都在增加，但是在有限的逻辑中达到更高的处理能力则是FPGA工程师面临的挑战。常用并行计算结构如下图所示：
上图中：前端处理单元负责将进入数据信息，分配到多个计算单元中，图中为3个计算单元（几个根据所需的性能计算得出）。然后计算单元计算完毕后，交付后端处理单元整合为统一数据流传入下一级。如果单个计算单元的处理能力为N ，则通过并行的方式，根据并行度M，其计算能力为N*M；在此结构中，涉及到几个问题:
一， 前端处理单元如何将数据分配到多个计算单元，其中一种算法为round-robin，轮流写入下一级计算单元，这种方式一般使用用计算单元计算数据块的时间等同。更常用的一种方式，可以根据计算单元的标示，即忙闲状态，如果哪个计算单元标示为闲状态，则分配其数据块。
二， 计算单元和前后端处理之间如何进行数据交互。一般来说，计算单元处理频率较低，为关键路径所在。前后端处理流量较大，时钟频率较高，因此通过异步FIFO连接，或者双端口RAM都是合适的方式。如果数据可分块计算，且块的大小不定，建议使用FIFO作为隔离手段，同时使用可编程满信号，作为前端处理识别计算模块的忙闲标示。
三， 如果数据有先后的标示，即先计算的数据需要先被送出，则后端处理模块需要额外的信号，确定读取各个计算模块的顺序。这是因为：如果数据等长，则计算时间等长，则先计算的数据会先被送出。但是如果数据块不等长，后送入的小的数据块肯能先被计算完毕，后端处理单元如果不识别先后计算的数据块，就会造成数据的乱序。这可以通过前端计算单元通过小的FIFO通知后端计算单元获知首先读取那个计算单元输出的数据，即使其他计算单元输出已准备好，也要等待按照顺序来读取。
数据的并行处理是FPGA常用的提升处理性能的方法，其优点是结构简单，通过计算单元模块的复用达到高性能的处理。缺点，显而易见就是达到M倍的性能就要要耗费M倍逻辑。
与之相反减少逻辑的另一种方式，则是复用，即一个处理能力较强的模块，可以被N的单元复用，通过复用，而不用每个单元例化模块，可以达到减少逻辑的效果，但控制复杂度就会上升。其结构图如下所示：
上图复用的结构图中，分别介绍了流过模式复用和调用模式复用。流过模式下，计算单元处理多路数据块，然后将数据块分配到多路上，这种情况下，通过round-robin可以保证各个通路公平机会获得计算单元。其处理思路与上图描述并行处理类似。
调用模式下，计算单元被多个主设备复用，这种架构可以通过总线及仲裁的方式来使各个主设备能够获取计算单元的处理（有很多成熟的例子可供使用，如AHB等）。如果多个主设备和多个计算单元的情况，则可以不通过总线而通过交换矩阵，来减少总线处理带来的总线瓶颈。
实际应用场合，设计的架构都应简单实用为好，交互矩阵虽然实用灵活，但其逻辑量，边界测试验证的难度都较大，在需要灵活支持多端口互联互通的情况下使用，可谓物尽其用。但如果仅仅用于一般计算单元能力复用的场景，就属于过度设计，其可以通过化简成上述两种简单模式，达到高速的数据处理的效果。
并行和复用，虽然是看其来属性相反的操作，但其本质上就是通过处理能力和逻辑数量的平衡，从而以最优的策略满足项目的需要。设计如此，人生亦然。
架构设计漫谈（五）数字电路的灵魂-流水线
流水线，最早为人熟知，起源于十九世纪初的福特汽车工厂，富有远见的福特，改变了那种人围着汽车转、负责各个环节的生产模式，转变成了流动的汽车组装线和固定操作的人员。于是，工厂的一头是不断输入的橡胶和钢铁，工厂的另一头则是一辆辆正在下线的汽车。这种改变，不但提升了效率，更是拉开了工业时代大生产的序幕。
如今，这种模式常常应用于数字电路的设计之中，与现在流驱动的FPGA架构不谋而合。举例来说：某设计输入为A种数据流，而输出则是B种数据流，其流水架构如下所示：
每个模块只负责处理其中的一部分，这种处理的好处是，1、简化设计，每个模块只负责其中的一个功能，便于功能和模块划分。2，时序优化，流水的处理便于进行时序的优化，特别是处理复杂的逻辑，可以通过流水设计，改善关键路径，提升处理频率，并能提升处理性能。
各个流水线之间的连接方式也可通过多种方式，如果是处理的是数据块，流水模块之间可以通过FIFO或者RAM进行数据暂存的方式进行直接连接、也可以通过寄存器直接透传。也可通过某些支持brust传输的常用业界标准总线接口进行点对点的互联，例如AHB，WISHBONE，AVALON-ST等接口，这种设计的优点是标准化，便于模块基于标准接口复用。每个模块的接收接口为从接口（SLAVE），而发送接口为主接口（MASTER）。
架构流水的好处一目了然，但另一个问题，对于某些设计就需要谨慎处理，那就是时延。对于进入流水线的信息A，如果接入的流水处理的模块越多，其输出时的时延也越高，因此如对处理时延要要求的设计就需要在架构设计时，谨慎对待添加流水线。架构设计时，可以通过处理各个单元之间的延时估计，从而评估系统的时延，避免最终不能满足时延短的需求，返回来修改架构。
流水架构在另种设计中则无能为力，那就是带反馈的设计，如下图所示：
图中，需要处理模块的输入，需要上一次计算后的结果的值，也就是输出要反馈回设计的输入。例如某帧图像的解压需要解压所后的上一帧的值，才能计算得出。此时，流水的处理就不能使用，若强行添加流水，则输入需等待。
如上图中，如在需反馈的设计中强加流水，则输入信息Ai需要等待Ai-1处理完毕后，再进行输入，则处理模块1，就只能等待（空闲）。因此，问题出现了，流水线等待实际上就是其流水处理的的效果没有达到，白白浪费了逻辑和设计。
流水应用在调用式的设计中，可以通过接口与处理流水并行达到。即写入、处理、读出等操作可以做到流水式架构，从而增加处理的能力。
流水是FPGA架构设计中一种常用的手段，通过合理划分流水层次，简化设计，优化时序。同时流水在模块设计中也是一种常用的手段和技巧。这将在后续重陆续介绍。，流水本身简单易懂，而真正能在设计中活用，就需要对FPGA所处理的业务有着深刻的理解。正如那就话，知晓容易，践行不易，且行且珍惜。
设计不是凑波形（一）FIFO（上）
FIFO是FPGA内部一种常用的资源，可以通过FPGA厂家的的IP生成工具生成相应的FIFO。FIFO可分为同步FIFO和异步FIFO，其区别主要是，读写的时钟是否为同一时钟，如使用一个时钟则为同步FIFO，读写时钟分开则为异步FIFO。一般来说，较大的FIFO可以选择使用内部BLOCK RAM资源，而小的FIFO可以使用寄存器资源例化使用。
一般来说，FIFO的主要信号包括：
| 信号 |
数据信号 |
| 读信号 |
rd_en |
| 读数据 |
dout |
| 读空信号 |
empty |
| 写信号 |
wr_en |
| 写数据 |
din |
| 写满信号 |
full |
实际使用中，可编程满的信号（XILINX 的FIFO）较为常用，ALTERA的FIFO中，可以通过写深度（即写入多少的数据值）来构造其可编程满信号。通过配置threshold（门限）的值可以设定可编程满起效时的FIFO深度。
上图所示为FIFO的模型，可以看做一个漏桶模型，其中输入、输出、满信号、空信号、可编程满等信号如图所示，一目了然。 其中threshold信号可以看做水位线，通过此信号可以设置可编程满信号。FIFO的其他的信号也大都与其深度相关，如有特殊需求，可通过厂商提供的IP生成工具的图形界面进行选择使用。
FIFO的使用场景有多种，其中主要如下所示：
（1） 数据的缓冲，如模型图所示，如果数据的写入速率高，但间隔大，且会有突发；读出速率小，但相对均匀。则通过设置相应深度的FIFO，可以起到数据暂存的功能，且能够使后续处理流程平滑，避免前级突发时，后级来不及处理而丢弃数据。
（2） 时钟域的隔离。对于不同时钟域的数据传递，则数据可以通过FIFO进行隔离，避免跨时钟域的数据传输带来的设计与约束上的复杂度。
FIFO设计中有两个需要注意事项，首先，不能溢出，即满后还要写导致溢出，对于数据帧的操作来说，每次写入一个数据帧时，如果每写一个宽度（FIFO的宽度）的数据，都要检查满信号，则处理较为复杂，如果在写之前没满，写过程不检查，则就容易导致溢出。因此可编程满的设定尤为必要，通过设置可编程满的水位线，保证能够存储一个数据帧，这样写之前检查可编程满即可。
其次，另一更容易出错的问题，就是空信号。对于FIFO来说，在读过程中出现空信号，则其没有代表该值没有被读出，对于读信号来说，如设定读出一定长度的值，只在一开始检测非空，如状态机的触发信号，容易出现过程中间也为空的信号，会导致某些数据未读出，特别是写速满而读速快的场景下。 因此rden与!empty信号要一起有效才算将数据读出。
空信号处理相对容易出错，懒人自有笨方法，下面介绍一种应用于数据帧处理的FIFO使用方式，只需在读开始检测空信号即可，可以简化其处理读数据的流程：
其处理结构如上图所示，数据缓存以大FIFO（BLOCK RAM实现）为主，而每存储完毕一个数据帧向小FIFO(寄存器实现)内写入值。当小FIFO标示非空时,则标示大FIFO中已存储一个整帧。则下一级模块可以只需检测小FIFO非空时，从而读出一个整帧，过程中大FIFO一直未非空，可以不用处理非空信号，从而简化设计和验证的流程。
此外还有FIFO其他应用方式，下节接着介绍。（未完待续）
-设计不是凑波形（二）FIFO（下）
FIFO在FPGA设计中除了上篇所介绍的功能之外， 还有以下作为以下功能使用：
（1） 内存申请
在软件设计中，使用malloc（）和free（）等函数可以用于内存的申请和释放。特别是在有操作系统的环境下，可以保证系统的内存空间被动态的分配和使用，非常的方便。如果在FPGA内部实现此动态的内存分配和申请，相对来说较为复杂，例如某些需要外部数据存储且需动态改变的应用需求下，需要对FPGA外部DDR(或SRAM等)的存储空间，进行动态的分配和释放。通过使用FIFO作为内存分配器，虽然比不上软件的灵活和方便，但是使用也较为简便。
举例说明假设外部存储空间为8Mbyte，可将其划分为8192个1Kbyte空间。并将数值0-8191存储FIFO中，FIFO内部存储所标示可用的内存空间。如下图所示。
首先，进行内存的初始化，即将0-8191写入FIFO中。
如需申请内存后，从FIFO中读取值A，然后根据A的标示，写入A所指示的外部存储区（DDR）中相应的位置，即申请{A，10’h0_00} ->{A,10’h3_FF}的空间区域。
如释放内存后，即可向FIFO中写入相应的值。即可保证下次该空间能够被设计使用。
在此种设计中，FIFO承担了内存分配和释放器的角色。此时只能申请或释放最小单元倍数的内存空间，如本例所示：为1Kbit。如FIFO读空，则代表申请内存失败，需要等待其他块内存释放后再写入FIFO中，才能再次申请。
（2） 串并转换
对于串并转换，可能对于FPGA工程师来说，非常常见，但是如果有专门的IP实现此功能，可简化设计，减少出错及验证的工作量。例如：对于外部输入的需要进行串并转换的信号，并进行存储的信号，如设计进行串并转换在存储等操作，设计，可以直接通过例化读写位宽不一致的FIFO，例如1入8出的FIFO，可直接将外部输入信号直接转换成8BIT信号并进行存储后，供后续处理使用（其他的）。
（3） 业务优先级划分
通过FIFO设置不同水位线，可以划分不同的业务优先级，保证高业务优先级数据流在带宽受限时，优先通过，而低业务优先级只能在满足高优先级需求后有多余的带宽时才能通过。并且可以划分多个优先级，满足多种业务的需求。设计将在以后篇幅中详述。
（4）固定带宽设定
通过对FIFO接口的读出使能，能够保证实现固定带宽的输出，例如FIFO读接口为32bit，而读时钟为50Mhz，则输出为1.6Gbit/S。如实现固定带宽的输出（如1Gbit/S），有两种方式,一种可以通过降低时钟频率到31.25Mhz。另一种方式，可通过读信号中间插入等待周期，如果读出长度为N的数据所需时钟周期为M，则需等待（3M/5）的周期，从而降低至1Gbit/S的处理能力，这在某些需要进行流量限制的业务方式中使用。
对于FIFO来说，作为FPGA内部资源的一个常用器件，最常见应用于异步时钟域划分和缓冲数据，但不仅限于此，简化设计、减少耦合、输入输出接口固定，便于仿真和验证，都是使用FIFO带来的设计上的益处。
设计不是凑波形（三）RAM
在FPGA内部资源中，RAM是较为常用的一种资源。
通常实例化RAM中，一种使用为BLOCK RAM 也就是块RAM 。另外资源可以通过寄存器搭，也就是分布式RAM。前者一般用于提供较大的存储空间，后者则提供小的存储空间。
在实际应用过程中，一般使用的包括，单端口、双端口RAM，ROM等形式等不同的形式。 实际应用中FIFO也是利用RAM和逻辑一起实现的。
对于一块RAM中，其能够例化的深度是有限的。例如cyclone4的RAM9k中可以例化的资源如下所示：
因此：例化化深度<256的RAM，其同样也需要占用一块BLOCKRAM的资源，例如例化宽度为64 深度为128的RAM，其资源为8K 。但是仍然需要占用两块BOCK RAM。也就是说，只要例化RAM深度少于256.则对于本器件9K来说，剩下的资源也是浪费。
那是不是可以例化成双端口RAM，通过高位地址区分，变为两个单端口RAM（width：32，depth：128）来使用，这样就可以节省资源了？
而对于双端口RAM来说，每个M9K能够配置是的最小深度就变成是512，而最大宽度为18，如下图所示，因此作为真双端口RAM使用，深度小于512的话，仍然会占用1块RAM。且宽度》18就会多占用额外的一块RAM，因此上述的节省资源的方式是不正确的。
通过查看datasheet的中RAM能够配置的方式，从而能够正确的使用RAM资源，从而达到高的利用效率。可以看出，RAM9K其应用方式受限，主要是因为RAM的端口的连接信号受限，例如：该RAM9K的读端口最大支持36根信号线，因此对于单端口其支持的宽度为36，双端口为18（两个端口，总共36根数据线），作为FPGA来说，其布线资源是有限的，不可能无限制的增加其端口数。
RAM例化时，有时需要初始化RAM，ALTERA和XLINX的初始化方法如下所示：
（1）ALTERA RAM中，例化时为MIF文件，其格式为：
DEPTH = 32; -- The size of memory in words
WIDTH = 8; -- The size of data in bits
ADDRESS_RADIX = HEX; -- The radix for address values
DATA_RADIX = HEX; -- The radix for data values
CONTENT -- start of (address : data pairs)
BEGIN
00 : 0; -- memory address : data
01 : 1;
END;
（2）在XILINX的RAM中，RAM出示化文件为COE文件，其格式为：
MEMORY_INITIALIZATION_RADIX=2; 设定进制
MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR= 初始化向量
值得注意的是：XILINX的RAM初始化后会自动生成MIF文件，而此mif文件与ALTERA mif文件格式不同。不能用于初始化ALTERA的 RAM。
鉴于例化不同IP的复杂性，现在编译工具也支持利用VERILOG语言来描述RAM，而编译工具自动识别为RAM，自动产生相应的IP核，下面以XILINX的EDA工具为例简要介绍。
module ram(
clk, wr,addr,din,dout
);
input clk;
input [7:0] addr;
input wr;
input [31:0] din;
output [31:0] dout;
reg [31:0] mem [0:255];
reg [31:0] dout;
always@(posedge clk)
if(wr)
mem[addr] <= din;
always @(posedge clk)
dout = mem[addr] ;
endmodule
上述描述可以被描述成RAM，自动产生RAM.其例化的报告为：
=========================================================================
* HDL Synthesis *
=========================================================================
Performing bidirectional port resolution...
Synthesizing Unit .
Related source file is "ram.v".
Found 256x32-bit single-port RAM for signal .
Found 32-bit register for signal .
Summary:
inferred 1 RAM(s).
inferred 32 D-type flip-flop(s).
Unit synthesized.
=========================================================================
HDL Synthesis Report
Macro Statistics
# RAMs : 1
256x32-bit single-port RAM : 1
# Registers : 1
32-bit register : 1
=========================================================================
综上： RAM作为FPGA内部一种基本资源，掌握RAM的特性和基本用法，则是FPGA工程师的基本技能，能够充分利用FPGA内部的资源，毕竟对于FPGA来说“资源就是金钱”，节省资源就是省钱。
写在coding之前的铁律
写在coding之前的那些铁律
(1)注释： 好的代码首先必须要有注释，注释至少包括文件注释，端口注释，功能语句注释。
文件注释：文件注释就是一个说明文：这通常在文件的头部注释，用于描述代码为那个工程中，由谁写的，日期是多少，功能描述，有哪些子功能，及版本修改的标示。这样不论是谁，一目了然。即使不写文档，也能知道大概。
接口描述：module的接口信号中，接口注释描述模块外部接口，例如AHB接口，和SRAM接口等等。这样读代码的人即可能够判断即模块将AHB接口信号线转换成SRAM接口信号。
功能语句注释： 内部关键逻辑，状态机某状态，读过程、写过程。
注释的重要性，毋庸置疑，好的注释，能够提高代码的可读性，可维护性等等。总之，养成注释的好习惯，代价不大，但是收益很大。
（2）语句：
开始写代码是，在FPGA设计中，特别是在可综合的模块实现中，verilog的语句是很固定的。在FPGA的设计中，不外乎时序逻辑和组合逻辑，除此之外，别无他法。对于开始功能编码来说，只需知道组合逻辑信号即可生效，时序逻辑在时钟的下一拍起效就够了。
下面是编码的实例。
组合逻辑：两种组合逻辑的描述，其功能是一致的。
assign A = B ? 1 : D ？ 2 ：3;
always@(*)
if(B)
A = 1
else if（D）
A = 2;
else
A = 3;
组合逻辑 如果是异步复位的话，描述如下
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
a <= 0;
else
a <= b;
也就是说，在verilog的可综合电路的编码中，只需要三种语句，分别是assign, always(*) 及时序的always(`CLOCK_EDGE clk ) 。 `CLOCK_EDGE 可以是上升沿或者下降沿。
为什么用always@(*) 而不是always（敏感信号列表）。“*”包含所有敏感信号列表，如果在coding过程中，漏掉了某个敏感信号，则会导致仿真不正确，例如本例中，敏感变量列表中，需要B or C 但是如果漏掉一个，仿真就会在B或C有变化时，输出没有变化。导致仿真和功能不一致，但是对于综合工具来说，功能还是能够正常工作的，不会因为敏感变量列表中的值未列全而不综合某条语句。某些情况下，敏感列表的值可能有十几个甚至更多，遗漏是可能发生的事情，但是为了避免这种问题，最好采用always(*)而不用敏感变量列表的方式,来避免仿真结果不一致的情况发生。
（3）赋值：老话重提，阻塞与非阻塞
很多同志喜欢钻研阻塞赋值和非阻塞赋值，这两种赋值，分别在always块里面用于的阻塞“=”给组合逻辑赋值，非阻塞”<=”给时序逻辑赋值。这应该是铁律，应该在编码过程中被严格的遵守下来。“为什么？，不这么用程序也能跑”。这句话部分是正确的，疑问永远是工程师最好的老师。
诚然，某些情况下，不严格的执行也跑，但是在某些情况下，实现二者就不一样。
对于下面两个例子来说明，为什么？
对于value1的描述方式：其综合后的如下所示
如果从实际的编译结果上看 b和b1 及c和c1其使用阻塞赋值和非阻塞赋值最终的结果是一致的，因此，也就是说，某些情况下，二者的编译结果一致。
而对于value2的描述方式：其综合后的电路图如下所示。
而对于第二中描述方式，阻塞赋值和非阻塞赋值的区别就显现出来了，从综合后的图中可以看到，c1信号是b1信号的寄存，而c信号和b信号为同一信号，都为a信号的寄存。
作为FPGA工程师，一项基本的能力，就是要知道代码综合后的电路和时序，不要让其表现和你预想的不一致，“不一致”就意味着失败。即是代码的失败，也是工程的失败
对于阻塞和非阻塞赋值区别和详细说明来说，其能够编写一本书（如有时间也可专题详述），但是对FPGA工程师，对于verilog的编码而言，则只需要按照时序逻辑用“<=”非阻塞，组合逻辑用阻塞“=”赋值即可。不要挑战那些规律，试图通过语言的特性来生成特殊电路的尝试是不可取的，开个玩笑的话，是没有前途的，要把设计的精力放在通过可用的电路来实现需求上，不要舍本逐末。在数字电路设计中，我们需要的是一个确定的世界，“所见及所得”，不要让你所想的和综合编译工具得认识不一致。这也就是不要乱用和混用这两个赋值的原因。
（4）一个变量一个“家”
不要在两个always语句中同一个变量赋值。（这是必须的）
也尽量不要在同一个always语句中，对两个变量赋值。（这是可选的）
如果是一组信号，其有共同的控制条件，则在同一always语句中赋值能够减少代码行数，提高可读性，除此之外，最好分开来写。如果几个不太相关的信号在同一里面赋值，其可读性极差，在组合逻辑中，还容易产生latch。
而前者赋值方式，综合工具肯定会报错，这到不用很担心，因为能够报的错误时是最容易被发现的。俗语说：“咬人的狗不叫”，而对于FPGA设计来说“致命的BUG，从来不报错”。
（5）锁存
FPGA中不要有锁存器的产生。最容易产生的是在always（*）语句中，最后一定是所有分支条件都要描述并赋值，（一定要有最后的else）。状态机中，同样如此，不但需要有default的状态,每个状态的都要有所有的分支都要赋值。
锁存器，是FPGA设计的大敌，因为会导致非你想要的错误功能的产生，并且导致时序分析错误，就会产生前述的问题“所见不是所得”，并且综合工具不会报错。
如果你设计的电路功能，仿真正确，而实际工作不正常，有一部分的原因是生成了锁存器，如果设计很大，不容易查的话，可以打开综合报告，搜索“LATCH”关键词，查看是否有锁存器的产生，一句话“锁存器，必杀之”。
时序逻辑会产生锁存器吗？当然不会，时序逻辑综合结果必然是触发器，因此不用检查时序逻辑的分支条件。
综上：这是写在coding之前的话，编码的主要功能应该是用可靠的电路来描述FPGA功能和需求，不要试图通过语言的特性来描述功能，设计的主要精力应放在用已知的电路（组合逻辑，时序逻辑）描述未知功能。
设计不是凑波形（五）接口设计
作为FPGA工程师来说，碰到新的问题是设计中最常见的事情了，技术发展趋势日新月异，所以经常会有新的概念，新的需求，新的设计等待去实现。不是每个通过BAIDU或者GOOGLE都有答案。
因此，新的设计经常会有，那如何实现？
假设，FPGA需要设计一个接口模块，那我们就需要了解一下几个问题：
（1） 同步接口还是异步接口模块；
（2） 有哪些信号，功能是什么?
（3） 信号之间时序关系是什么?
（4） 传递的效率能够达到多少；
（5） 等等！
谁会给予这些答案，有一个好的tutor就是“datasheet”，一般来说FPGA设计一个接口模块，必然与其他硬件电路进行连接。
假如是外部连接接口为总线接口，那至少包括却不限于以下信号，
（1） 地址：能够支持的最大地址空间，数据和地址是否复用接口；
（2） 数据：一般读数据和写数据复用同一接口，一般数据信号此时都为三态。三态信号有OE信号。
（3） 读写命令。单次的读操作、单次的写操作
（4） 是否支持突发传输，burst的读写操作
（5） 同步还是异步。
（6） 控制信号之间的相位关系及建立保持时间的要求。
图为 TI 系列35X系列处理器的GPMC的接口，由图中可以看出其时钟、地址、数据等操作信号。
如果是同步并行接口，一般用于数据流传输，如AD/DA的输入或输出，网口PHY的输出信号等，一般的同步并行信号，通常包括，（1）时钟信号、（2）数据、信号（3）使能信号等。
上图为RMII的数据接口，图中可以看到其控制信号，数据信号及使能信号。作为流传输接口，一般可以支持双向双工传输。上述两种接口描述了两种主流的FPGA的外部接口，即总线接口和流传输接口。通过软件定义和FPGA内部逻辑设计，总线接口可以实现流的传输（总线接口实现双向传输，可以通过轮询和中断两种方式实现），同时流传输接口也可以实现总线读写功能。可以根据具体的使用环境进行设计。
SERDES接口则是另一种数据流的传输接口， 现在FPGA的serdes最高可以支持到28Gbps。实际上为了满足减少板级连线，并且提高传输速率的需求。集成更多的SERDES也是FPGA发展的趋势。
上图为SERDES的框图，由PCS和PMA模块构成，PMA一般为硬核IP，PCS为软核或者硬核模块，收发独立，且都为差分信号（serdes将在后续章节详述）。值得一提的是，SERDES接口对FPGA逻辑的接口一般固定位同步并行接口，数据信号位宽都较大。
这些接口如何做详细设计，一方面可根据其上述共性特点，这能够对其特点有大概的认识，另一方面则是FPGA连接的器件的DATASHEET。根据这些器件接口功能的描述和支持的特性。FPGA可根据需要和功能特性，进行有选择的实现（例如总线接口不需要brust操作，则可只实现单次的读写，就可以满足业务的需求，进行功能裁剪和简化等等）。
接口设计完成，FPGA就要对设计进行基本测试。对于流接口来说，能够支持环回的功能的话（即将收到数据流再发回），就极大方便测试。对于总线接口则需要支持对FPGA内部某地址的读写操作的测试。这就属于可测性设计的范畴。（后续将专题详述FPGA的可测性设计）。
如果一个模块没有任何的输入输出，其再复杂的功能也等同一块石头，或者只有输入，没有输出也等同一块石头。因此输入和输出则是一个设计的第一步。
可测性设计—从大数据开始说起
当下，最火的学问莫过于《大数据》，大数据的核心思想就是通过科学统计，实现对于社会、企业、个人的看似无规律可循的行为进行更深入和直观的了解。FPGA的可测性也可以对FPGA内部“小数据”的统计查询，来实现对FPGA内部BUG的探查。
可测性设计对于FPGA设计来说，并不是什么高神莫测的学问。FPGA的可测性设计的目的在设计一开始，就考虑后续问题调试，问题定位等问题。要了解FPGA可测性设计，只不过要回答几个问题，那就是：
（1） 设计完成如何进行测试？
（2） 设计出现问题，如何迅速定位？
（3） 如何在设计之初就能划分故障的层次，进行问题隔离？
一般情况下，在设计的调试阶段，如果出现BUG，则需要通过嵌入式逻辑分析仪（chipscope/signaltap）对可能出现问题的信号进行抓取。这种方式，对于较大型的设计调试速度较慢（其编译时间较长，迭代速度较慢，但是也是一种很有效的手段和FPGA的必备技能）。那么对于大型工程的可测试性，有什么行之有效的手段？
（1）统计计数。
FPGA设计中的统计计数不是不是什么《大数据》，只不过是些“小数据”，例如，对于网络接口来说，收到多少包，发送多少包，收到多少字节，发送多少字节。 对于一个模块来说，收到多少次调用，或者发起多少次操作。对于读取FIFO的数据流操作，从FIFO中读取多少frame（帧），向后级FIFO写入多少帧。
这些计数，毫无疑问都是需要占用资源的，但是占用这些资源是有价值的。通过这些计数，设计可以通过总线接口供外部处理器读出。于是一张FPGA内部设计的“大数据”图形就显现出来了”。
从上图可得，通过外部CPU可将各处理模块中的计数，分别读出，于是得到其内部的一张数据流图。我们可以简化设计为（计数A->计数B->计数C->计数D->计数E）。实际使用中可根据占用的资源和实际需要的观测点来确定。
假设，我们在调试过程中发现，有输入突然没有输出，这是不需要再去内嵌逻辑分析仪来抓取信号，通过CPU的软件，可以打印出所有计数，在有输入驱动的情况下，假设计数C有变化，而计数D没有变化，则直接定位处理模块3，此时处理有问题，简单直接而有效。
令一种情形也可以迅速定位，输入多，但是输出少，比如正常输入的码流，但是输出到显示上确实缺帧少帧，完全不流畅。通过计数分析，原本帧计数C和D应该一样多，但是D却计数较C少很多，说明此时处理模块3性能不够，或者设计有缺陷。这样就把整个设计的关键点定位到处理模块3.
通过FPGA内部各模块的关键计数分析，来定位分析问题，在设计上没有任何难度。不过需要外部CPU或者FPGA嵌入式CPU的配合使用。
凡事有利就有弊，添加多的计数，会增加资源的使用量，那么如何平衡？对这种分析计数进行单独位宽设定，在全局统一的宏定义中定位`define REG_WIDTH N 。此时N的设定可以灵活多样，8位/16位/32位等等。可以根据项目中资源的剩余量，灵活添加所需的逻辑，毕竟这些计数的值提供分析试用。
（2）状态输出。
如果向上述问题一样，我们定位到某个模块，那么如何再定位到模块中那个逻辑的问题？
解决这个问题的关键，就是状态机，向输出计数一样，一般的设计中，都会以状态机为核心进行设计，将状态机的CS（当前状态）信号引出，如果没有外部输出的情况下，当前状态应该为IDLE。比如上文中，我们定位到模块3此时死机，等待不再输入外部信号时，此时模块3中的状态机信号如不为IDLE，假如此时正处于状态 B_CS,则说明此时模块的错误出现在状态B。而B跳转必须由信号X起效。因此可以直接定位到信号X的问题。剩下就是要定位信号X为什么不起效。（也许你看看代码就能知道**不离十，是不是一秒钟变高手！ 开个玩笑！）
（3）逻辑复位。
划分FPGA的问题或者模块问题的另一种方式就是逻辑复位，上文讲复位时（架构设计漫谈），逻辑复位，如果A模块自身有逻辑复位，如果设计没有输出（通俗叫做“FPGA死了”），如果怀疑某个模块，该模块逻辑复位后，设计又正常工作，则需要定位的则是可以是该模块、或者该模块影响的与其连接模块(该模块的非正常输出导致下一级模块出错)。
本文将的FPGA可测性设计，非ASIC讲的通过插JTAG/BIST进行的测试。其目的还是通过关注如何测试的设计，来定位问题，提高FPGA的可测性。除此之外，逻辑探针也是可以一个解决测试问题的方向(专题另述)。可测性的提高，意味着调试手段的增加，调试速度加快，而不是一味的依赖嵌入式逻辑分析仪。能够达到快速问题定位能力，是FPGA研发能力一个重要的体现，而可测性设计则是提升这一能力有力的助手。
化繁为简
有个笑话说，有个病人感冒了，于是去看医生，医生诊断后说，你得了感冒，但是我只会治疗肺炎，不如你回家再浇点凉水，把病恶化成肺炎，那我能治了。这个笑话展示了庸医误人。但是另一方面，从逻辑上来讲，医生则是一个把未知问题转化成已知问题的高手。
不说笑话，下面出两个题目，其分别是
问题1：运用数字电路，如何将一个时钟域的上升沿，转换成另一个时钟域的脉冲信号（单周期信号）。
问题2：运用数字电路，如何将一个时钟域的脉冲信号（单周期信号），转换成另一个时钟域的上升沿。
可能乍一看，这两个题目优点难度，特别是第二个问题，答上的就更少了。那再出第三道题目，会不会让这个问题变简单些那。
问题3：运用数字电路，如何将一个时钟域的上升沿，转换成另一个时钟域的上升沿。
题目3，,就会让人觉得太简单了，这既是异步信号的同步化，寄存两拍就可以了。这CLKA信号就被同步到CLKB的方法，有一定数字电路知识的都会 。不论CLKA与CLKB时钟频率的高低。
下面回到题目1，我们按照那个庸医的做法，把未知问题转换成已知问题，那这个问题就转化成了两个部分，A时钟域的上升沿转换成B时钟域的上升沿，，然后B时钟域的上升沿如何变成其单脉冲信号。所以问题就很简单了，最后的输出 B &! B_r(B信号寄存一拍). 电路如下所示。
那回到题目2.这个问题就转换成了A时钟的脉冲信号转换成A信号的上升沿，而A信号的上升沿，再转换成B信号的上升沿。
那么，如何将已是时钟信号的脉冲信号，转换成另一个时钟的脉冲信号？呵呵。
以上只是两个简单的电路，实际设计中，有许多可以进行设计，可以化繁为简或者化未知为已知的方法。
例如，实际设计中，经常有设计变更的情况，比如，原来输出的信号A，但是需要输出信号B。那可能大多数情况，模块不用重新设计，只需要在原有输出信号（或者数据）A上，再添加相应的输出，或者封装一层接口，就可以快速满足需求。并且原有设计模块也可以复用，并且已验证充分。通过化未知问题为已知问题的方式，简化设计和验证，能够快速的设计需要。一方面，而这正是IP复用的好处，另一方面，原有设计如何达到IP复用的标准，也是值得探索的部分。
这个故事，其实还有另一版本，那就是锤子和钉子，那就是如果你已经有一把锤子，那就看什么都是钉子。如何将未知问题转化成你的锤子可以解决的钉子，则是就是设计复用的问题了。
“背靠大树好乘凉”--总线
如果设计中有多个模块，每个模块内部有许多寄存器或者存储块需要配置或者提供读出那么实现方式有多种，主要如下：
实现方式一：可以在模块顶部将所有寄存器引出，提供统一的模块进行配置和读出。这种方式简单是简单，但是顶层连接工作量较大，并且如果配置个数较多，导致顶层中寄存器的数目也会较多。
实现方式二：通过总线进行连接，为每个模块分配一个地址范围。这样寄存器等扩展就可以在模块内部进行扩展，而不用再顶层进行过多的顶层互联。如下图所示：
那如果进行总线的选择，那么有一种极为简单的总线推荐被使用，那就是AVALON-MM的总线
ALTERA提出两种总线类型，分别是AVALON-MM, AVALON-ST。分别用于连接memeory 和数据流的传送 MM不是你想的意思，其英文为memory map。实现内存映射是其主要目的。主要信号包括如下表所示：
| 信号 |
例子 |
| address |
地址 |
| read |
读 |
| readdata |
读数据 |
| write |
写 |
| writedata |
写数据 |
| waitrequest_n |
等待信号 |
AVALON-MM因此可以说是最简单实用的总线形态了。对于其操作来说，总线为同步类型的总线，写信号只需要在写使能有效时，同时提供写数据即可，而读数据等待信号无效时，读出数据有效。
同样数据类型读数据（readdata）和写数据（writedata）的宽度可以根据设计的需要灵活配置为（8,16,32----256---1024）BIT等值。即可以支持非常大的位宽，但普通应用，只需要（8,16,32,64）BIT等即可满足应用。
那假设总线宽度32，基本上主流的数据总线的宽度。如果需要更细粒度的划分，确定读写某个字节有效，那么byteenable信号也是必须的。其需要4bit来标示32bit（4个byte）中那个有效，每一BIT表示一个字节，因此如果要完全表示所有的字节有效，因此字节有效信号的宽度为(数据总线的宽度/8)。AVALON还可以有burst的操作。主设备可以通过burstcount设备确定brust的长度，为2的n-1次方。
对于普通的应用，通过上述表格中的基本操作即可满足需求，这也正是AVALON-mm总线的优势。此外模块按此标准提供连接接口，各种模块可以挂在NIOSII的片上系统上。
如果模块之间为点对点的连接，同时传递大数据量的操作，那么的AVALON-mm总线就不太适合，因此AVALON_streaming总线就适合这种应用场景。
AVALON_streaming总线本质上是一种同步并行总线，即在同步时钟状态下，使能有效代表传递数据有效。其基本信号如下表所示：
| 信号 |
例子 |
| valid |
主设备数据有效 |
| data |
数据信号 |
| ready |
从设备准备好 |
| start of frame |
帧开始 |
| end of frame |
帧结束 |
| empty |
帧结束信号时，空数据的位数 |
从上图中，可以看出各信号在数据传输中的作用，对于从设备获取数据的处理，就是VALID有效时，数据有效的采样操作，非常简单方便，易于处理。如果从设备设定ready永为1，则表示没有反压的机制，则主设备，可根据自身收包情况一直向从设备发送数据包。此外还有其他辅助信号，可以根据设计需要进行添加。
使用总线使模块标准化，便于代码的移植和设计复用。同时标准总线的设定和统一定义也利于项目团队代码的标准化，便于理解和传播。
下文将介绍两种其他应用较广的总线形态，AHB（AMBA） 和WISHBONE总线（待续）。
如果说在PC时代，垄断PC江湖的是WINTEL（微软和英特尔），那么在移动互联网时代，最具有这个潜质的就是谷歌的andriod操作系统和ARM芯片。基于ARM公司授权的各型ARM处理器，基本上在各型嵌入式终端设备占据了垄断地位。“背靠大树好乘凉”，因此，用于作为ARM处理做片上系统互联的AMBA总线标准亦成为业界应用最广泛的标准。
AMBA总线事实上为三个总线标准的合集，分别是AHB、ASB、APB。ASB已逐渐被AHB所取代，现在使用最广泛的为AHB和APB总线，以及最新的扩展AXI总线。实际上，现今系统设计中，经常会借鉴AHB或APB总线标准，用于设计各种IP和片内模块之间的互联。首先来说AHB和APB总线，一家公司为什么会退出有两种类型总线，这是因为AHB一般认为其具备更高的性能和总线吞吐能力，而APB为低速总线，用于连接低速外设。两种总线互补，能够在性能和功耗方面进行互补。
如上图所示 ：AHB总线与APB总线在一个嵌入式系统中的应用场景。 分别用于连接低速设备和高速设备。下表列举其一些主要的差别。
| AHB |
APB |
| 多个主设备，多个从设备 |
一个主设备（总线桥），多个从设备 |
| 读写周期不固定，由从设备返回hready信号标示操作完成。 |
读写周期固定，两个周期完成 |
| 支持突发传输，传输类型由主设备 |
不支持突发传输 |
| 信号较多且复杂。 |
信号简单。 |
作为单次传输来说，AHB与APB的主要区别在AHB周期不固定，操作完成标示由从设备返回hready标示，而APB周期固定。作为burst传输来说，AHB支持增量和回环两种方式的突发。举例说，增量就是挨个地址自加，如总线宽度为32，地址每次自加4（字节）。而回环，比如当前地址为0xA4，而回环突发操作位0xA4, 0xA8, 0xAC, 0xA0。这种突发方式对于一些cache读写内存是非常有用的，这样可以把0xA0-0xA15十六个内存地址一次性读出。如果设计一条这样的cache line，地址0xA0-0xA15其高位地址一致，便于匹配，这样这16个字节可以通过一次突发就能全部填满。（即回环这种设计与处理器的cache结构是相关的，现在的cache line有逐渐扩大的趋势，一般64字节也较为常见）。
由于支持多个主设备和多个从设备进行交互，那么对于多个主设备之间就存在竞争。（从设备之间存在竞争否？从设备之间是通过地址区分的，被动接受主设备的访问，不会存储竞争的问题。）因此如何解决竞争，那就需要仲裁，即主设备谁需要访问总线，则发起HBUSREQ，而仲裁器收到HBUSREQ，返回给相应主设备HGRANT。此时该设备才能访问总线。除此之外AHB还有其他一些信号，用于辅助整个系统的传输，感兴趣的同志，可以看一下AMBA的总线规范。值得一提的是，作为一个总线规范，其提供了全集的解决方案，而作为实现部分，只需要在满足规范的前提下，实现必要的功能即可，例如AHB总线中规定，其突发最大可1K字节，但是作为一个从设备，不一定需要支持这么大的操作，即实现功能可在总线框架内进行裁剪，选择实现支持的类型即可。
在FPGA内部设计中，经常有多个主设备访问同一从设备的例子，例如内部多个模块都需要访问外部存储器，其实现方式有多种，通过AHB的连接架构，可以实现一个标准、可扩展的接口单元，用于访问外部存储器。并且可以作为IP使用。AHB从设备只需要根据需要，支持某些burst传输即可。
随着SOC（片上系统的发展），对于高带宽、低延时的总线需求更加迫切，ARM公司适时退出AXI（AMBA3.0）作为扩展。
上图分别是AXI接口的读写操作，分别可以看出，对于AXI总线来说，其有5组独立的总线，分别是写地址，写数据，写响应，读地址，读数据信号。地址和数据信号分开，每组都有自己的控制信号。
每个通道中间没有时序关联，如何进行操作的？举例来说明，例如读数据操作，实际上，主设备向从设备中写了一个读的命令，包括读地址，burst大小，方式等。收到后从设备按照相应的命令读取相应大小的数据，传回主设备，其操作可以简化的看做两个缓冲区类型的操作，主设备将读命令写入从设备的命令缓冲区，从设备取出后，根据命令将相应的数据返回给主设备的接收缓冲区中。这种操作的好处显而易见，能够最大限度的减少总线的开销，因此其读与读操作之间独立，不用等待读回，就可以发送下一次的读信号。写操作的流程亦然。
对FPGA设计来说，例如xilinx的接口IP（DDR例化时的接口），都已支持AXI的接口。FPGA工程师熟悉相应的总线接口信号和特点，对于技术方案选择，IP使用和验证，都是非常重要的。尽量在设计中选择标准总线接口，对于设计复用，模块共享来说，则是必由之路。而模块（IP）复用的益处随着设计不断增大将会不断显现。
PS：如要学习上述三种总线，推荐AMBA的手册，百度/谷歌各大搜索引擎均提供免费下载链接
片上系统
从最初的占地170平方的第一代ENIAC计算机开始，计算机开始了不断集成化、小型化的发展之旅。现今在单一芯片内部已经能够集处理器，存储，各型协处理器等，从而形成的强大的单芯片的片上系统（SOC），而这些片上系统已存在于生活的方方面面。因此FPGA内部支持片上系统，也算不上是新奇的事情了。ALTERA和XILINX已各自推出了各自应用片上系统（FPGA领域称之为SOPC，因此其片上系统可以根据业务需求来定义）。
只需几K的资源，就能实现一个SOC的最小系统，对于FPGA工程师来说，没什么比这个更有吸引力了。那么，作为一个片上系统来说，其最小系统应该包含哪些：其至少需要三个部件，执行部件（处理器），程序执行部件（内部存储器），输出部件（输入输出单元）。（其分别相当于PC上的CPU、内存条，键盘鼠标显示器）。下图所示在ALTERA的QSYS上实现NIOS的最小系统所需部件。
（1） 处理部件：NIOSII为ALTERA器件中所专有的软核处理器，而xilinx所对应的为microblaze的软核。通过在Qsys的界面工具中提供许多IP，而NIOSII也提供三个版本提供使用，分别是高速型，标准型，以及经济型。如果FPGA内部逻辑有限，可选择的经济型，其占用资源较少。如果需要内部资源丰富又需要运行嵌入式操作系统uclinux等复杂软件。则建议选择高速型，而要运行linux等操作系统，则在NIOSII高速型中配置MMU则是必须的。如无具体需求，则使用标准型即可。值得一提的是，NIOSII为哈佛型体系结构，即数据和指令分开，从Qsys可以看出，其接口分为指令接口和数据接口。
（2） 存储部件:对于在FPGA内部实现SOC来说，片内的块RAM就是实现SOC内部程序与数据的存储空间。也可以使用片外的存储区，如片外SRAM或者DDR等。也可以作为程序和数据的存储空间。对于NIOSII处理器来说，只有选取了片内存储区或者片外存储区，才能设定程序中断向量和复位起始位置的存储区。另外，虽然AVALON总线支持数据总线和地址总线通过片上互联同一接口访问单端口RAM。但建议使用时，例化为双AVALON接口的双端口RAM，一则是因为一般存储区所需RAM深度够大，一般支持真双端口RAM，另一方面，数据和指令分开，能够提升系统的性能。
（3） 输入输出部件：通常在嵌入式SOC系统中，最常用的输入输出部件就是串口（UART）。常常被应用于（打印printf（），scanf（））函数的输入输出。如果系统设计了串口（一般为SOC系统中所必须的），则例化系统中的支持avalon接口的串口即可，如果系统中不幸没有，那么ALTERA公司提供了JTAG-UART接口提供给用户输入输出交互接口。即通过复用JTAG下载线来模拟串口的操作。如果系统中有多个输出输出设备，如有多个UART，则在编程时，需在BSP的环境中设定，选择使用哪个UART作为系统的输出。
使用ALTERA的Qsys工具可以方便的在FPGA上构建SOC系统。只需选择相应的IP（可以是系统自带，也可以使用自己构建支持avalon-mm接口的IP）。通过系统的互联从而构成一个片上系统。图形化的界面只需通过avalon总线连接信号将NIOSII和外设连接在一起即可。连接完毕后，还需要下面操作：
（1） 为每个外设设定地址，例如上图中RAM和JTAG-UART，每个外设都需要一个地址范围，可以点击系统中自动地址分配，也可以手动分配一个区间。只有为每个外设分配地址后（相当于整个系统的门牌号），处理器才能根据地址来访问各个外设。
（2） 如外设有中断，则为外设分配中断号，也可自动或者手动完成。如不分配中断的话，那么处理器访问外设，只有查询一种交互方式了。中断方式使用可以减少处理器的负载。
在ALTERA的QSYS工具中，硬件信息全部存储在sopcinfo。主要是包括各个外设的地址信息等，用于产生system.h。也就是说，作为软件和硬件的交互的渠道是每个外设的基地址，中断，和内部寄存器等信息。系统构建结束后，剩下的就可以软件编程了，运行在搭建的SOC系统上的第一个“hello world”的程序。
对于现在FPGA上的SOC设计，厂商为了其方便易用，做了大量的工作，只需按照其指南一步步，就可以实现相应的设计，但同时，也限制了对其基本原理的深入的理解。什么事情都有其两面性，作为FPGA工程师，SOC的原理则应该能够重点关注，这样不论是ALTERA还是XILINX其基本原理也是一致的。如不使用厂家的处理器核（NIOSII、microblaze），也可以使用其他的软核（如51等，ARM）在FPGA上实现SOC系统。只不过原来工具做的工作，就需要手动来完成了。
SOPC就像一个偏科生，其优点和缺点都是那么明显，即其强大的灵活性和可编程性，配置其可怜的主频。但是通过一系列提升性能的手段，SOPC在某些业务中也可以大显身手，尤其是需求频繁变更的业务，将变化部分通过软件实现，而不变部分硬件化实现，可以更快的满足市场的需求。
最后，软核CPU处理能力的瓶颈，也促使现有FPGA厂商提供了基于硬核CPU的SOC+FPGA的解决方案，而这些的努力将促进FPGA应用场景的扩展。FPGA广阔天地，大有可为。
交换矩阵
如果在FPGA设计中，需要多端口，大数据量的交换，那么交换矩阵则是一个不错的实现方案。交换矩阵使用的目的主要有几个，一，灵活的端口转发。通过交换矩阵灵活实现数据流的灵活交换，减少外部负责控制。 二，高效的转发效率，交换矩阵能够实现通常单一总线不能达到的转发效率，满足高吞吐量的系统的需要。三，系统设计以交换矩阵为中心，便于IP集成和模块复用。
交换矩阵的实现方案较为复杂，最早的交换沿袭了共享总线式的架构，因此对于某个端口需要传输，则其他端口只能阻塞，等待总线空闲后再进行传输。而交换矩阵则是一个全互联的结构。如下图所示，如有4个输入，4个输出的交换矩阵，可认为是一个4端口的交换单元，每个端口包含一个发送接口和一个接收模块，如端口0就包含发送模块m0和接收模块s0。
假设每路传输的速率为N，则整个交换矩阵的传输速率为4N。如何实现一个简单的交换矩阵。首先可以将整速率个设计分割。将整个设计分割为接受和发送两个模块。整个交换单元可以划分为四个部分，分别是，发送模块，仲裁模块，交换模块，接收模块。
（1） 发送模块，首先根据某端口接收数据后，根据该数据帧要转发的端口，发起请求信号。
（2） 仲裁模块：根据请求信号，接收模块的忙闲状态，及各发送模块的优先级，确定当前的响应信号，如果当前的接收模块忙（上次传输未完成），则需要阻塞，等待上次传输完成（复杂的设计，可以保证高优先级能够打断当前传输，直接传输高优先级数据流，高优先级完成后，再恢复原有传输，但这种方式设计较为复杂，仿真验证的难度也较大，不建议使用）。
（3） 交换模块：根据仲裁信号确定发送模块转发的端口，交换模块本质上是多选一的MUX，而MUX的选择信号，则是由仲裁模块来进行选择。
（4） 接收模块：接收交换模块交换后的数据流，向仲裁模块返回当前模块的忙闲状态（正在接收传输信号，为忙状态，而当前无传输状态，则为闲状态）。
仲裁模块的仲裁机制，一般可以使用简单的round-robin的设计，即轮流最高优先级。也可以通过设计带加权的优先级，保证更高优先级的端口优先进行传输。
仲裁模块的仲裁设计可以分为多种，一种是整个交换矩阵使用同一个仲裁单元，每个发送模块只使用一个请求信号及请求端口号连接到仲裁模块。这种设计对整个仲裁模块设计难度较大。另一种设计，如下图所示，即每个接收单元，配置一个仲裁模块，和一个交换模块。而每个发送模块根据要发送的端口，使用多个发送的请求信号。此种设计便于系统扩展，也可简化设计。
不仅是用于高速多端口转发的数据流传输采用交换矩阵。现在，大多高速总线机制（如N主设备，M从设备之间进行数据的交换）也采用类似交换矩阵式的结构，每个从设备的连接都是多个主设备通过MUX来进行连接，这样保证多个主设备访问不同从设备时，可以实现并行的数据交换（如主设备M0访问从设备S1，主设备M1访问从设备S2，可以同时进行总线操作）。这是单一竞争式总线所不能达到的优势，但是，设计占用的逻辑量也会增加。性能的增加带来的负面影响通常就是逻辑的增加。
交换矩阵通常在基于数据包转发的FPGA设计应用中，交换矩阵的交换灵活性增加，也会增加设计复杂度，如果对于传输效率不需太多的需求，可以采用系统复用的方式（前文介绍），通过一个复用模块轮流接收各个发送端口的数据流，，再根据端口转发到各个从设备中，此种方式设计简单，但是此复用模块则会成为系统的瓶颈。根据系统的设计需求，选择适合的设计，达到性能和逻辑方面的平衡，是体现FPGA设计艺术之一。
控制
本质上说，FPGA的模块设计就是将输入转化成想要得到的输出结果。而除了某些简单模块，即在当拍内完成，即将输入进行逻辑操作后，再输出。（如简单加法器等）。其余大部分的设计需要通过时序逻辑和组合逻辑混合实现，时序逻辑带来就是延迟起效的问题，举例说，如实现某个信号（start）起效后，接下来五个周期需要分别进行五种操作，分别是op0,op1,op2,op3,op4 等等。如何进行控制，这就是每个工程师要面对的问题。
对于简单控制，分别可以采用计数和移位寄存器的方式来解决问题。而对于较为复杂的控制，则需要设计状态机来解决。下面将分别介绍
计数器： 对于上述操作来说，start起效后，可以通过计数实现，设置寄存器count[2:0]，有效信号开始时计数自加。 计数的方式带来的问题就是，计数从零开始还是从1开始，假如计数器初始化为0，则从0-4状态可以分别输出op0,op1,op2,op3,op4，但是在无有效信号时，计数会保持0，从而造成op0的输出。 上述举例虽然简单，但是确实很多初学者或者工程师在仿真时会经常会犯的错误。从设计来说，计数需要考虑初始值对于输出的影响。同样计数带来的另一个问题就是，从零开始的计数会导致设计与实际不一致，例如，一个信号9拍后拉低，但从零计数到8时，已经到9拍了（0-8），这种设计会导致命名count==8 与9拍存在不一致的现象。当然也可以从1计数到9，这样状态在count==9时触发。这样就会初始化需要复位寄存器为1。当然这个问题大端和小端的争斗一样，没有终点。一个设计中如果多种计数来驱动计数的话，就需要特别小心这个问题计数。当然也可把问题交给仿真器，仿真时根据波形调整，计数的状态。
移位寄存器：如采用移位寄存器，根据上述例子，则start信号有效后，设计5bit的移位寄存器flag[4:0]分别利用寄存器的某BIT来控制输出，从而在每BIT有效时，分别输出op0,op1,op2,op3,op4。假设此种状态较少，FPGA寄存器资源较为丰富，因此利用移位寄存器是一个不错的注意。
assign op4 = ( count == 3’b100) ;
assign op4 = flag[4] ；
比较上述两种输出，则可以看出，通过计数的方式占用输出资源较多，而移位寄存器在此种应用下，占用逻辑就相对简单。（仅针对小规模的计数来说，对于超过16的计数，则使用计数器更优）。另外，通过移位寄存器可以方便的进行时序控制，不用纠结从零开始还是从1开始的问题，在某些简单的处理下能够达到更小的面积和更快的时序。
对于复杂的控制，则状态机，就是必须的。对于FPGA实现状态机，其实并不需要那么多的设计的方法。主要就是两个要点。（1）独热码。（2）三段式。
对于第一点来说，独热码，因为FPGA内部寄存器资源较多，另外独热码将会带来额外的面积和时序优化的好处。则以上述例子为例，增加状态转移的触发信号，状态转移图如下所示：
状态独热码（也可以用define localparam）建议使用parameter或者localparam
parameter idle == 6’b000001,
op0_state == 6’b000010,
op1_state == 6’b000100,
op2_state == 6’b001000,
op3_state == 6’b010000,
op4_state == 6’b100000;
三段式结构如下
//（1）当前状态
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
cs_state <= idle;
else
cs_state <= ns_state;
//（2）下一状态的赋值
always@(*)
case(cs_state)
idle : if(start)
ns_state = op0_state;
else
ns_state = idle;
op0_state :
if(op0_over)
ns_state = op1_state;
else
ns_state = op0_state;
op1_state :
if(op1_over)
ns_state = op2_state;
else
ns_state = op1_state;
op2_state :
if(op2_over)
ns_state = op3_state;
else
ns_state = op2_state;
op3_state :
if(op3_over)
ns_state = op4_state;
else
ns_state = op3_state;
op4_state :
if(op4_over)
ns_state = op4_state;
else
ns_state = idle;
default ns_state = idle;
endcase
//（3）输出状态
assign out1 = (cs_state == op0_state);
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
out2_reg <= 1'b0;
else if (cs_state == op2_state)
out2_reg <= 1'b1;
else
out2_reg <= 1'b0;
上述例子，介绍独热码和三段式。三段式的好处不用说，就是逻辑清楚。可以看出out1输出为组合输出。out_2_reg为寄存输出。那么独热码在FPGA内部的优势又有哪些？
（1）综合后，逻辑简单
例如assign out1 = (cs_state == op0_state); 综合后的电路等同于
assign out1= cs_state(0) ;//可以看出无逻辑消耗
而 out2_reg 的电路等同于 将cs_state（2）寄存一拍，只需一个寄存器的消耗
（2）时序优化。
从上述同样得出结论，如果是使用某状态cs_state(n)作为其他信号的输入来说，其本身为寄存器信号，因此关键路径就会减少一级。可能运行较快的频率就会增加。如不是独**，对比这两条语句cs_state = 3 与cs_state(3) 一个是组合输出，一个寄存器输出。其不同也就是上述计数与移位寄存器的区别一致。
那么一般状态机会产生的错误会有哪些那？
首先；就是状态不全产生LATCH，前文已述，这是FPGA设计的大敌，解决这个问题的方法可以通过所有分支都设定确定状态，如上例中。有没有更简单的方式？
其此：状态机上述描述，并不直观的显现综合后电路的描述，有没有更直接的rtl的描述，一眼就能看出独热码的特征和好处？
最后：状态机是一个较为成熟技术，还会有哪些值得关注的地方？
这些问题，下节再述。
首先依次回答上篇提出的几个问题：
第一个问题：如何避免状态机产生lacth 示例如下，通过在always（*）语句块中，添加默认赋值，ns_state = cs_state;
always@(*)
ns_state = cs_state;
case(cs_state)
idle :
if(start)
ns_state = op1_state;
op0_state :
if(op0_over)
ns_state = op1_state;
op1_state :
if(op1_over)
ns_state = op2_state;
op2_state :
if(op2_over)
ns_state = op3_state;
op3_state :
if(op3_over)
ns_state = op4_state;
op4_state :
if(op4_over)
ns_state = op4_state;
default ns_state = idle;
endcase
这样，分支没有赋值的语句全部会赋值为ns_state = cs_state ;以IDLE状态为例，当前cs_state为idle。因此实际上 ns_state=idle。这条语句的作用，即在没有分支赋值的情况下，默认赋值当前状态。
第二个问题：更直观的独热码的状态机实现方式。示例如下
//状态定义
parameter idle == 0,
op0_state == 1,
op1_state == 2,
op2_state == 3,
op3_state == 4,
op4_state == 5;
//（1）当前状态
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
cs_state <= 6'b000001;
else
cs_state <= ns_state;
//（2）下一状态的赋值
always@(*)
ns_state = 0;
case(1)
cs_state[idle] :
if(start)
ns_state[op0_state] = 1'b1;
else
ns_state[idle] = 1'b1;
cs_state[op0_state] :
if(op0_over)
ns_state[op1_state] = 1'b1;
else
ns_state[op0_state] = 1'b1;
cs_state[op1_state] :
if(op1_over)
ns_state[op2_state] = 1'b1;
else
ns_state[op1_state] = 1'b1;
cs_state[op2_state] :
if(op2_over)
ns_state[op3_state] = 1'b1;
else
ns_state[op2_state] = 1'b1;
cs_state[op3_state]:
if(op3_over)
ns_state[op4_state] = 1'b1;
else
ns_state[op3_state] = 1'b1;
cs_state[op4_state] :
if(op4_over)
ns_state[idle]= 1'b1;
else
ns_state[op4_state] = 1'b1;
default ns_state[idle]= 1'b1;
endcase
//（3）输出状态
assign out1 = cs_state [op1_state];
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
out2_reg <= 1'b0;
else if (cs_state[op2_state])
out2_reg <= 1'b1;
else
out2_reg <= 1'b0;
上例中，定义状态机是，同样定义为0,1,2,3,4,5,6的值而不是独热码，只不过使用时，这些值用于赋值的为状态机的某一bit。值得注意的是，在ns_state 通过组合逻辑赋值时，首先需要将ns_state赋值为零，也就数说，除了需要赋值为1的状态，其他都需要赋值为0。但此种编码方式下，就需要谨慎对待分支赋值不全的情况，因此此时，ns_state会赋值为0。产生非想要的后果。
通过第三段的输出赋值可以看出，其输出分别是cs_state [op1_state]的直接输出，cs_state[op2_state]的寄存后一拍再输出。其产生的效果与前文（控制-上）中介绍的产生的效果是一致的。因此可根据习惯，选择一种的实现即可。
最后一个问题：状态机使用可以直观的通过定义的状态来控制各个信号的输出和控制，独热码本质上还是将状态机转变成一组某一时刻只有一个起效的寄存器，换个角度可以看做加强版的移位寄存器。其他需要注意问题有，
（1）如果状态机定义而没有使用，综合工具将综合掉此状态，因此综合后的状态会和工程师所定义的状态不同。通过检查综合文件，就能得知其对应关系，避免通过嵌入式逻辑分析仪抓信号时，信号与实际不一致现象。
（2）如通过单周期信号启动状态机，要注意，如单周期信号起效时，状态机未跳转回有效状态，会导致出错，应该将单周期信号转换成电平信号，等启动有效后再将电平信号拉低。
（3）状态如出现未定义的状态（如独热码出现全零状态），latch是其中一个主要的原因，上电后未有效复位也会导致此种可能。
（4）状态机结合移位寄存器可以有效减少状态的数目。例如某个状态中，每个周期要进行多个操作，不需要再分解成多个小状态，通过移位寄存器来控制这些状态的操作能够简化设计。
总之：状态机是FPGA设计的一项基本设计，而“独热码”和“三段式”的设计能够使设计达到事半功倍的效果。也是事实上行业内的FPGA设计的标准写法。而标准化能使难以理解的FPGA的代码能够有更好的移植和IP化的基础。
管脚
管脚是FPGA重要的资源之一，FPGA的管脚分别包括，电源管脚，普通I/O，配置管脚，时钟专用输入管脚GCLK等。
（1）电源管脚：
通常来说： FPGA内部的电压包括内核电压和I/O电压。
1.内核电压：即FPGA内部逻辑的供电。通常会较I/O电压较低，随着FPGA的工艺的进度，FPGA的内核电压逐渐下降，这也是降低功耗的大势所趋。
2.I/O电压 （Bank的参考电压）。每个BANK都会有独立的I/O电压输入。也就是每个BANK的参考电压设定后，本BANK上所有I/O的电平都与参考电平等同。
是否可以通过约束来设定IO管脚的输出电平那，答案是否定的，如下例所示
set_instance_assignment -name IO_STANDARD 3.0-V LVCMOS -to pinA
set_instance_assignment -name IO_STANDARD 3.3-V LVCMOS -to pinB
不论设定为多大的电平，IO的输出与BANK的参考电压保持一致，也就是说，PINA和PINB的电平与其BANK的电平保持一致，而不是所约束的那样一定会是3V或3.3V的电平。那是否意味着这种约束没有作用？
如果约束同一BANK上的管脚为不同电平，如PINA和PINB在同一BANK，但是电平不同，则EDA工具会报错。可以起到错误检查的作用。（同一bank上电平要一致，但是类型可以是多种，例如CMOS，TTL等）。
对于复杂的FPGA内部，一般来说PLL也会都单独的供电，并且其内部包括数字电源和模拟电源。
SERDES一般也需要独立供电。一般支持高速SERDES的FPGA器件都都有独立的供电管脚，一般也都有独立的时钟管脚（一般为差分时钟）。
（2） 配置管脚：
FPGA的配置管脚每个FPGA都需要，为了支持多种配置方式，例如JTAG，从串、从并、主串、主并等。值得注意的是，对于其配置管脚的控制信号来说，是专用管脚，不能用做普通I/O，而其数据信号，可以用作普通I/O。在管脚资源较为紧张时，可以复用配置信号的数据信号作为普通I/O来用。
(3) 普通I/O：
FPGA的I/O是FPGA管脚上较为丰富的资源。也是做管脚约束时最常用的资源。对于例化IP来说（例如serdes和DDR2/3等），需要使用EDA工具给出了I/O约束。如果修改则需要预先编译进行评估。一般来说，DDR的接口信号最好能在一个BANK上约束，如果不能则其控制信号要约束到同一BANK上，否则导致EDA工具布局布线报错。
对于FPGA的普通I/O，可以设定包括管脚电平类型（LVTTL，LVCOMS，SSTL,HSTL等等），还包括端接大小，驱动电流，摆率等参数。
对于FPGA引脚来说，通过阻抗匹配的设置（altera的OCT，xilinx的DCI的设置）。可以有效的减少板上电阻的数目，降低BOM成本。端接的设置可以阻止阻抗不连续导致信号反射，保证信号完整性。
对于普通信号来说，一般不需要每个都设置阻抗匹配，，只有板级布线长度的电信号传输时间超过高速信号的时钟周期的0.1倍时，才需要设置端接。简单来说也就是只有高速信号，且信号输出和输入距离较远时，才需要使用端接，一般是FPGA连接外部DDR等高速器件时。对于使用外部校准的RUP和RDN电阻来说，其RUP和RDN电阻是整个电路可靠性的关键点。例如：在以一批FPGA板卡中，测试发现只有某一块接口不通，FPGA工程师调试时发现，只要把接口I/O设定为CMOS电平，而不使用DCI的端接，则所有板卡全部能够通信正常，后来发现该板卡RUP上拉电阻失效，从而导致接口电路没有上拉而接口出错。也就是说，I/O的电平设置，以满足设计需要为主，而不用锦上添花。增加的额外电路就会导致额外的失效点。
（4）时钟管脚
FPGA内部的时钟，都需要通过专用时钟管脚连接内部PLL或者DCM等专用时钟处理单元，从而接入内部高速时钟网络。在早期的FPGA中内部时钟资源有限，专用处理单元也有限，需要严格的规划PLL等时钟处理单元和全局时钟资源，随着FPGA技术的发展，这个功能逐渐弱化，但是早期规划也是必须的。
值得注意的是，对于一些外部同步信号的输入，其时钟没有连接到专用时钟管脚上，只用于采样当前的同步信号，因此不用接入全局时钟网络，设计上也是允许的，需要约束其管脚不使用全局时钟资源。否者，EDA工具会报错，提示其作为时钟输入，而没有接在专用时钟管脚上。
正如本文开始所说，管脚是FPGA的重要资源，FPGA工程师熟悉管脚特性和电路设计的基础知识，对于FPGA系统设计和板级电路的调试都是有益的。
PS：问题回复
QUARTUS能否设定I/O信号的上拉和下拉电阻的大小？
1)对于设定的输出信号来说，其是有电平格式的如 set_instance_assignment -name IO_STANDARD LVCOMS -to pin 这种情况下，其电平格式就是LVCOMS。没有上拉或者下拉的设置（也就是说coms电平不包括上下拉电阻的设置）。但是可以设置其输出电流，如 set_instance_assignment -name CURRENT_STRENGTH_NEW 12MA -to pin 板级电路上信号不到位，很多情况下，是驱动能力的问题。 也可以设置其输出端接电阻的大小（不是上下拉）。 set_instance_assignment -name OUTPUT_TERMINATION "SERIES 50 OHM WITH CALIBRATION" -to pin 以及其他属性等等 （2）对于未约束的信号时可以设定其上下拉状态的。 如： set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS "As input tri-stated with weak pull-up" 其他几种状态分别是 as inputs that are tristated, as outputs that drive ground, as outputs that drive an unspecified signal, asinput tri-stated with bus-hold