FPGA/CPLD 的设计思想与技巧

FPGA/CPLD 的设计思想与技巧是一个非常大的话题，由于篇幅所限，本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧，包括乒乓球操作、串并转换、流水线操作和数据接口的同步方法。希望本文能引起工程师们的注意，如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作，将取得事半功倍的效果！
乒乓操作

“ 乒乓操作 ” 是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图 1 所示。

乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过 “ 输入数据选择单元 ” 将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM) 、单口 RAM(SPRAM) 、 FIFO 等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ；在第 2 个缓冲周期，通过 “ 输入数据选择单元 ” 的切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 2” ，同时将 “ 数据缓冲模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 的选择，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理；在第 3 个缓冲周期通过 “ 输入数据选择单元 ” 的再次切换，将输入的数据流缓存到 “ 数据缓冲模块 1” ，同时将 “ 数据缓冲模块 2” 缓存的第 2 个周期的数据通过 “ 输入数据选择单元 ” 切换，送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算处理。如此循环。

乒乓操作的最大特点是通过 “ 输入数据选择单元 ” 和 “ 输出数据选择单元 ” 按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到 “ 数据流运算处理模块 ” 进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。

乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在 WCDMA 基带应用中， 1 个帧是由 15 个时隙组成的，有时需要将 1 整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时 1 个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是 1 整帧数据长，假设数据速率是 3.84Mbps ， 1 帧长 10ms ，则此时需要缓冲区长度是 38400 位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲 1 个时隙数据的 RAM( 单口 RAM 即可 ) 。当向一块 RAM 写数据的时候，从另一块 RAM 读数据，然后送到处理单元处理，此时每块 RAM 的容量仅需 2560 位即可， 2 块 RAM 加起来也只有 5120 位的容量。

另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。如图 2 所示，数据缓冲模块采用了双口 RAM ，并在 DPRAM 后引入了一级数据预处理模块，这个数据预处理可以根据需要的各种数据运算，比如在 WCDMA 设计中，对输入数据流的解扩、解扰、去旋转等。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。

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。

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 。

通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过 DPRAM 这种缓存单元实现了数据流的串并转换，并行用 “ 数据预处理模块 1” 和 “ 数据预处理模块 2” 处理分流的数据，是面积与速度互换原则的体现！