巧用FPGA中资源 寄存器, 资源

pengpengpang

随着FPGA的广泛应用，所含的资源也越来越丰富，从基本的逻辑单元、DSP资源和RAM块，甚至CPU硬核都能集成在一块芯片中。在做FPGA设计时，如果针对FPGA中资源进行HDL代码编写，对设计的资源利用和时序都有益。下面主要讲解一下如何巧用FPGA中资源：
1. 移位寄存器

FPGA中的移位寄存器使用在前面的博文中有所论述，Xilinx FPGA中的LUT可以作为SRL使用，主要可参考此博文《Xilinx 7系列FPGA使用之CLB探索》，在此想补充论述一下SRL的延时，首先看一下如下代码，实现了一个19级的移位寄存器。

module srl_test(
input clk,
input rst,
input din,
output dout
);
reg din_d;
always@(posedge clk) begin
if(rst)
din_d<=1'b0;
else
din_d<=din;
end
reg [18:0] d_sh;
always@(posedge clk) begin
d_sh<={d_sh[17:0],din_d};
end
assign dout=d_sh[18];
endmodule
综合得到结构如图1所示，其中输入din由FF(din_d)寄存，随后的移位操作由一个SRL32E和FF组成，SRL中A=“10001”，实现了18级移位，因此SRL32E和FF的组合也能实现19级的移位，但是代码中dout是直接assign组合输出，并没有输出寄存，为什么综合得到结构是FF寄存输出，以下分析一下原因。


在FPGA内部时序分析一般以register-to-register为基础模型，首先来看一下图2所示路径，为srl32-to-ff的路径，其数据路径延时报告如图3所示，延时Prop_srlc32e_CLK_Q表示充当移位寄存器的LUT的clk_to_out延时，达到0.97ns，相比于FF的clk_to_out延时(0.24ns)相差甚大，如果没有最后一级的FF寄存，则输出为纯组合逻辑输出，这段路径的延时将会被引入到下一级模块的时序分析中，下一级模块的输入如果也没有输入寄存，则这一段数据路径的延时将会很大，不利于时序收敛；而加入FF寄存，直接切断了数据路径，在这段register-to-register模型中，数据路径延时仅有LUT的clk_to_out延时0.97ns，在一般情况下都能达到时序收敛。因此综合器自动将最后一级移位以FF形式实现，在代码功能不变的前提下，优化了时序；而且这个FF是同一个Slice中的FF，并不会消耗多余的Slice，由于SRL32E和FF处于同一个Slice，它们之间的走线属于内部走线，因此延时将会很小，由延时报告中SRL32E到FF(d_sh_18)的走线延时为0ns可以验证。



移位寄存器综合得到的SRL+FF组合结构体现了综合器的智能，但是此结构仅限于静态地址的移位寄存器实现，动态地址的移位寄存器的Q端是直接组合逻辑输出的，需要人为地在代码中添加FF寄存。
2. Register大搜索
在FPGA中的register资源可以说是无处不在，几乎每个角落都有它的身影，Xilinx 7系列FPGA中，每个Slice中有8个register，除此之外，在DSP48E1、Block RAM蕴藏了很多register，其中在1个DSP48E1中多达上百个。
首先讲解一下如何使用DSP48E1中丰富的register资源，如下两段代码：


综合得到资源利用和性能对比如下表所示，结构如图4所示，其中Code1和Code2都使用了1个DSP48E1资源；Slice Resigter，Code2使用比Code1多了32个，用于输入2*8-bit和输出16-bit信号的寄存，而Code1没有使用额外的Slice的register资源，是因为这些register是在DSP48E1中实现了；并且Code2的Fmax相比于Code1也较差，是因为Code2中结构使用了额外的Slice Resigter，连接乘法器需要外部走线，增加了数据路径延时，而Code1中register与乘法器之间是内部走线，延时可以忽略，因此时序上较好。

	Code 1	Code 2
Slice Registers	0	32
DSP48E1s	1	1
Maximum frequency	360.750MHz	253.678MHz

而比较Code1和Code2的差异，就是复位，Code1中寄存采用的是同步复位，而Code2采用异步复位，因为DSP28E1中的register只支持同步复位，如果采用异步复位，综合器就不会采用DSP48E1中的register实现，而是使用额外的Slice Resgiter，因此建议在使用DSP资源时采用同步复位，这样可以充分使用其中的register资源，对于FPGA资源耗用和性能上都有益。
而使用Block RAM中register资源与DSP类似，复位方式也需要是同步综合器才能识别。
另外还有一处的register可供利用，那就是IOB，通过设置synthesis和map选项，可以将输入和输出的register映射到IOB中的register实现，如图5为选项设置，在synthesis选项中，将-iob设置为Auto或者Yes，在Map选项中，将-pr设置为For Inputs and Outputs。


对上述Code2进行综合实现，得到报告如下，报告显示输入和输出register并没有使用额外的Slice Resigter实现，而是映射到了IOB Flip Flops中，如图6所示为IOB中的register。
Slice Logic Utilization:
Number of Slice Registers: 0 out of 407,600 0%
Number of Slice LUTs: 0 out of 203,800 0%
IO Utilization:
Number of bonded IOBs: 34 out of 500 6%
IOB Flip Flops: 32


综上，在做FPGA设计时，可以充分利用DSP、Block RAM、IOB等资源中的register，不但节省资源而且可以在一定程度上提高性能。