零基础学FPGA （十八） 谈可编程逻辑设计思想与技巧！对您肯定有用！

　　今天给大家带来的是我们在FPGA设计中经常要遇到的设计技巧与思想，即乒乓操作，串并转换，流水线操作和跨时钟域信号的同步问题。
　　之前也看过一些书，也在网上找过一些资料，不过小墨发现大部分都是理论讲解，仅仅是给一个框图就没事了，或者是好几个网站的资料都是一样的，都是复制的一个地方的，仅仅是讲解，没有实例，要不就是某个网站提供源码，但是要注册，还要花什么积分，没有积分还得要钱...很不利于初学者的学习(人与人之间怎么就不能多点信任呢~还要钱...)。所以小墨想写这么一篇文章来介绍一下这4种思想，理论部分书上多得是，我就不过多的解释，主要给大家讲一些实例型的帮大家理解。
　　一、乒乓操作
　　乒乓操作主要用于数据流的处理，是用面积换取速度的体现之一，要知道面积与速度的互换贯穿FPGA设计的始终，下面先给一个框图
　　


　　我先来解释一下乒乓操作的过程：
　　首先数据需要通过一个2选一数据选择器，在第一个时钟周期将数据缓存到缓存模块1，常用的缓存模块可以是fifo,双口RAM(DPRAM)，单口RAM(SPRAM)，第二个时钟周期的时候，数据流开始往缓存模块2里面写数据，与此同时，预处理模块会从缓存模块1里面读取数据，到了第三个时钟周期数据流再往缓存模块1里面写数据，与此同时，预处理模块2开始从缓存模块2读取数据，周而复始...这样，输入数据流和输出数据流按节拍来回切换，可以使数据没有停顿的进行传输，使传输速率大大提高。
　　小墨同学发现，在给这个框图配实例的时候，几乎所有的网站都是这个解释，我用红字标出，个人感觉解释的不怎么样，还有些地方是错的
　
[color=]　假设端口 A 的输入数据流的速率为 100Mbps ，乒乓操作的缓冲周期是 10ms 。以下分析各个节点端口的数据速率。

[color=]　　A 端口处输入数据流速率为 100Mbps ，在第 1 个缓冲周期 10ms 内，通过 “ 输入数据选择单元 ” ，从 B1 到达 DPRAM1 。 B1 的数据速率也是 100Mbps ， DPRAM1 要在 10ms 内写入 1Mb 数据。同理，在第 2 个 10ms ，数据流被切换到 DPRAM2 ，端口 B2 的数据速率也是 100Mbps ， DPRAM2 在第 2 个 10ms 被写入 1Mb 数据。在第 3 个 10ms ，数据流又切换到 DPRAM1 ， DPRAM1 被写入 1Mb 数据。

[color=]　　仔细分析就会发现到第 3 个缓冲周期时，留给 DPRAM1 读取数据并送到 “ 数据预处理模块 1” 的时间一共是 20ms 。有的工程师困惑于 DPRAM1 的读数时间为什么是 20ms ，这个时间是这样得来的：首先，在在第 2 个缓冲周期向 DPRAM2 写数据的 10ms 内， DPRAM1 可以进行读操作;另外，在第 1 个缓冲周期的第 5ms 起 ( 绝对时间为 5ms 时刻 ) ， DPRAM1 就可以一边向 500K 以后的地址写数据，一边从地址 0 读数，到达 10ms 时， DPRAM1 刚好写完了 1Mb 数据，并且读了 500K 数据，这个缓冲时间内 DPRAM1 读了 5ms ;在第 3 个缓冲周期的第 5ms 起 ( 绝对时间为 35ms 时刻 ) ，同理可以一边向 500K 以后的地址写数据一边从地址 0 读数，又读取了 5 个 ms ，所以截止 DPRAM1 第一个周期存入的数据被完全覆盖以前， DPRAM1 最多可以读取 20ms 时间，而所需读取的数据为 1Mb ，所以端口 C1 的数据速率为： 1Mb/20ms=50Mbps 。因此， “ 数据预处理模块 1” 的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps 。同理， “ 数据预处理模块 2” 的最低数据吞吐能力也仅仅要求为 50Mbps 。换言之，通过乒乓操作， “ 数据预处理模块 ” 的时序压力减轻了，所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的 1/2 。
　　虽然各个网站上都是这么解释的，但是个人感觉解释的不怎么样，下面我用我自己的理解给大家解释一下这个例子
　　先看我给大家画的一个图，虽然画的不怎么样
　　


　　这里我们只计算缓存模块1的速率
　　首先看第一个周期10ms，数据流往缓存模块1里面写数据，到第5ms时，预处理模块1开始从缓存模块1里面读数据，到10ms时，缓存模块1写了1M数据，读了5K数据，下面切换到第二个周期，由于在第二个周期的时候预处理模块1还可以从缓存模块1里面读数据，所以到第15ms时，缓存模块1里面的数据被读完
　　


　　到了第三个时钟周期，也就是从第20ms开始数据流往缓存模块1写数据，到第25ms时，预处理模块开始从缓存模块读数据，直到35ms时才读完，这样我们来算一下，在第一个时钟周期读了5K数据，注意我上面画的时钟周期数，就是那个半圆形的，
　　在第三个时钟周期读了5k数据，注意每个时钟周期只有5K，另外5K到了下一个时钟周期了，所以我们不考虑，我们只考虑缓存模块1的速率。再看一下时间，从第10ms读完第一个5K，到第30ms读完第2个5k，共用了20ms，读了1M数据，所以速率为1M/20ms=50M/s。
　　下面再给大家讲一个实例，具体代码我会附在文章后面
　　


　　用state来控制乒乓操作的来回切换
　　


　　根据刚才讲的，控制缓存器的读写，这里只列些部分代码，具体代码请大家在文章后面下载
　　下面附上仿真时序图，我在testbench中将数据设为从0 递增的，可以看到仿真波形中是将奇偶数分开的，证明我们代码是正确的
　　


　　二、串并转换
　　串并转换总的来说就是将串行输入信号转换为并行输出，也是用面积换取速度的一种方法，串并转换总的来说比较简单，小墨就只给大家讲一下我自己写的代码吧
　　首先要先对串入信号进行采集，加入我们是8位一输出，每进来一位数据，我们便将原数据左移一位，保证数据是高位在前
　　


　　然后再将数据并行输出即可，下面附上仿真波形，我在testbench中给串入信号设为随机数，看仿真图的，第一串信号为1101_1011，一位一位的移进寄存器可以由波形的，分别是1,3,6……所以我们的代码是正确的
　　


　　三、流水线操作
　　流水线操作是高速设计中的一种常用手段，如果摸个设计的处理流程分为若干个步骤，而且数据处理是单向流的，也就是没有反馈或者迭代运算，前一个步骤是后一个步骤的输出，我们就可以采用流水线设计的方法来提高设计速率。
　　举个例子，假如我们要计算A+B+C的值，如果不用流水线操作的话，那么需要先计算A+B的值，再计算A+B+C的值，需要两个时钟周期，如果我用了流水线操作那么我需要在两个always块中分别计算sum1= A+B，sum2= sum1+C，由于两个always块是并行的，输出数据只需要等待一个时钟周期，以后就可以有数据源源不断的输出，就像流水线一样，从而提高系统速率
　　下面我们来设计一个实例，假如我要采集一系列的32位数据，要对它进行处理，处理方式假如是，先对这个数据进行加16运算，再进行压缩为16位数据运算，再进行减10运算
　　，最后进行取低8位运算，采用流水线设计的话，输出结果只需要等待几个时钟周期，以后就会有源源不断地数据输出，流程框图如下，代码请在后面下载
　　


　　我在testbench中定义输入信号是随机的32位信号，分别进行分级处理，每处理完一级要给下一级发使能信号，并把数据送到下一级，例如当第一级使能信号到来时，数据为29,29加16为45，即第一级输出信号，对45取前16位仍为45,45减10为35,35取低8位仍为35，对照波形，证明我们的设计是对的
　　


　　四、跨时钟域信号同步
　　先来看一张图
　　


　　这个图的意思就是，脉冲信号为一个时钟信号，FPGA要对其进行计数，在CPU给FPGA发送读信号的时候，将计数器的值送至CPU的数据总线， 这里就涉及三个时钟信号，一个脉冲信号，一个CPU的读信号，一个FPGA的自身时钟，这三个时钟是不同步的，我们这样想，假如在脉冲计数的时钟，cnt是自加1的，由于三个时钟不同步，CPU的读信号随时都有可能来，加入当cnt自加的时候，也就是cnt = cnt +1,这是对cnt的写状态，突然来一个CPU的读信号，即那么就要把cnt送到数据总线，即data


　　要解决同步问题，我们可以用FIFO，DPRAM 进行同步，即用其他时钟域对fifo进行写操作，再用FPGA对fifo进行读操作，但要注意是否有数据溢出，还有一种方法就是边沿脉冲检测法，这里我们讲第二种
　　


　　即采用两级寄存器，这两级寄存器均有FPGA的时钟控制，具体操作就是将不同域的信号都先赋值给第一级寄存器，再在另一个always块中把第一级寄存器的值赋给第二级寄存器，如果是信号是高脉冲，那么就把第二级寄存器取反与第一级寄存器相与，便会得到一个高的脉冲采样信号，用这个信号在检测其他域信号的到来，如果是信号是低脉冲，那么就把第一级寄存器取反与第二级寄存器相与，同样得到一个高的脉冲采样信号，用这个信号在检测其他域信号的到来，小墨同学把它记为“上2下1”原则，方便记忆~
　　具体代码在前面键盘部分已经有所讲解，这里就不副代码了
　　写了好几个小时，手都敲酸了，还望各位大神多多指教，有什么讲的不对的地方还请指出，一起进步~