xilinx fpga学习笔记4

十一、算术运算的实现

 1、Verilog对符号和无符号运算的支持

   没有明确的表示规范，Verilog定义了下面的规则：

 （1）Port、wire和reg向量类型被当做无符号类型，否则明确声明的是有符号的；

 （2）整数变量被当做是有符号的，除非明确声明；

 （3）十进制数是有符号的；

 （4）基数是无符号的，除非明确声明。

   使用unsigned和signed关键字来明确强迫数据类型的表示。下面给出描述方法：
 input signed[31:0] example1;
 reg unsigned[15:0] example2;

   wire signed[31:0] example3;

   可以强迫基数是有符号的，在基数说明时，使用s符号：
 4'sd87

  此外，设计者能保证正确的类型，通过$signed和$unsigned转换函数：

  wire[7:0] udata;

  wire[7:0] sdata;

  assign sdata = $signed(udata);

  在Verilog中，一个表达式的类型只通过它的操作数来定义。它不取决于分配左边部分的类型。一个表达式的类型通过下面的规则解析：

（1）bit选择的结果是无符号的，不考虑操作数；

（2）part选择的结果是无符号的，不考虑操作数即使part选择指明了整个向量；

（3）串联的结果是无符号的，不考虑操作数；

（4）比较的结果是无符号的，不考虑操作数；

（5）任何自定操作数的符号和比特位的宽度是由操作数本身所决定的，独立于表达式的剩余部分。如果使用上下文决定操作数，在verilog LRM查看额外的向导。

2、 FPGA内算术运算实现的方法

  xilinx FPGA包含一些传统的硬件资源，例如，LUT和进位链。这些资源高效的实现各种算术操作，比如加法器、减法器、计数器、累加器和比较器。

  随着virt
4000
ex高端FPGA芯片的出现，Xlinx引入了新的原语，称为DSP48。这个模块在未来的virtex-5、virtex-6和spartan6上进行功能的扩充。DSP48 slice允许创建大量的功能，包括乘法器、加法器计数器、桶型移位寄存器、比较器、累加器、乘累加、复数乘法器等。

  目前，XST综合工具支持最重要的和经常使用的DSP48模式，用于数字信号处理，综合工具也利用DSP48内的寄存器，比如动态的OPMODE端口。

  DSP48的快速连接允许高效地建立快速的DSP48链，用作滤波器。综合工具支持这些快速连接。

  由于在目标器件上有很多方式实现相同的算术操作，综合工具根据操作的类型，大小，上下文的使用或者时序要求自动进行选择。在一些条件下，自动选择并不满足设计者的要求。因此，综合工具提供了一些约束来控制实现的过程，比如在XST中的use_dsp48或者在Synplicity中的syn_dsptyle。

   如果设计者将以前的设计从使用先前的FPGA系列芯片，移植到新的带有DSP48模块的新的FPGA时，对于设计者来说，如果想利用可用的DSP48模块，必须知道下面这些规则，这些规则可以使设计达到最高性能。

（1）当充分流水线时，DSP48模块给出最好的性能。因此，为了达到最小的性能，设计者应该添加一些额外的流水级。

（2）内部的DSP48寄存器支持同步置位和复位信号。不支持异步复位信号。因此，必须将异步初始化的信号使用同步初始化替换，一些综合工具可以自动进行替换。这种操作所给出的生成网表并不等于初始的RTL描述。

（3）对于DSP应用来讲，在RTL描述中，使用链结构替换树状结构，可以充分利用DSP48的能力。

   XST尽可能多利用资源，为了高性能、高功能地实现算术逻辑。下面讨论在XST控制实现算术逻辑的方法：

（1）实现算术的宏，可以在切片逻辑上，可以在DSP模块上，通过综合工具的Use DSP Block属性控制，默认值是auto。

（2）在自动模式下，XST考虑真正可用的DSP资源，为了避免过度地映射目标器件。XST可以使用目标器件上可用的所有DSP资源。XST综合工具的DSP利用率属性（DSP_UTILIZATION_RATIO）强迫XST留出一些资源未被分配。

（3）一些算术宏，比如独立的加法器，累加器和计数器，默认时不使用DSP资源。为了在DSP资源实现，将XST综合属性USE_DSP48设置为yes。

（4）利用在DSP模块上实现算术功能的流水线寄存器，用一个可选择的时钟使能描述寄存器，寄存器也是可选的和可同步复位的。

（5）异步复位逻辑阻止其实现，应该避免。

（6）当描述无符号算术时，记住DSP模块资源假设是有符号的操作数。设计者不能映射无符号的数到单个DSP模块的全部数据宽度。例如，XST能在virtex-6的DSP48E1上实现25*18的有符号乘法。在同样的单独的模块上它能实现最多24*17的无符号的积，DSP输入的最好有效位设置为0.

十二、 扩展的DSP推断

    除了作为延迟级（寄存器）、乘、乘加/减、积累、乘法累加和ROM等这些基本功能的粒度更细的推理能力外，XST使用可移植行为的源代码，提供描述滤波器的扩展推理能力等基本功能。

    XST试图了解基本功能的元素之间的任何基本的上下文关系的存在，比利用xilinx器件上可用的DSP块资源的强大功能（流水线阶段、级联路径、预加法器级、时间复用），用于高性能实现并降低功耗。

    要优化充分利用DSP模块的功能，使用一个加法器链，而不是一个加法器树为骨干对滤波器进行描述，有些HDL语言功能，如在VHDL的for generate，便于描述这些一个滤波器，确保代码最大的可读性和可扩展性。

    Xlinx FPGA内的DSP模块中可选的预加法器用于对称滤波器。如果设计者没描述对称滤波器，利用预加法器。可以将所要求的DSP模块数量减少一半。

    由于XST不能自动识别和分解对称系数，Xilinx不推荐设计者使用通用的方式描述滤波器和假设XST能确认滤波器的对称性。设计者必须手工编写代码分解因式，为了XST能看到使用预加法器的机会，相应的诶之DSP模块。
    注意：对于利用预加法器的能力，XST必须能识别一个描述，即使设计的数据的宽度较小，这个描述能准确的匹配加法器的大小特征。这个要求是指定预加法器。使用signed和unsigned扩展，用于明确的填充预加法器的操作数，来保证在DSP资源上正确的推断和实现。

十三、属性/约束及传递

1、属性及传递

    属性是附加到xilinx原始例化中的特性，用以说明它们的行为。属性与器件结构原语原件正确的关联，直接想到例化元件的功能或实现，属性通过下面的方式传递：

  （1）在VHDL中，通过generic映射。

  （2）在Verilog中，通过defparams或者内联参数传递。

  例如下面的属性：

   （1）lut4组件上的INIT属性；

   （2）DCM上的CLKFX_DIVIDE属性。

  下面的Verilog代码给出了一个例化的IBUFDS符号，在这里DIFF_TERM和IOSTANDARD被分别制定为FALSE和DEFAULT。下面给出Verilog的描述：

  IBUFDS #(
.CAPACITANCE("DONT_CARE"),
.DIFF_TERM("FALSE"),
.IBUF_DELAY_VALUE("0"),
.IFD_DELAY_VALUE("AUTO"),
.IOSTANDARD("DEFAULT")

      )IBUFDS_inst(
.o(o),
.i(i),
.ib(ib)
);

2、综合约束传递

   综合约束指导综合工具对特定设计和HDL代码进行优化。它们可以嵌入到HDL代码中或者以单独的约束文件形式存在，综合约束的例子有：

  （1）USE_DSP48(XST)

  （2）RAM_STYLE(XST)

   综合约束传递包括：传递综合约束，传递HDL综合属性。

   在设计中，约束可以附加到HDL对象中，或由一个独立的约束文件指定。可以通过两种传递约束到HDL对象：

  （1）描述对象的预定义数据；

  （2）直接将属性连接到HDL对象。

   预定义属性可以通过一个COMMAND文件或综合工具中的约束文件进行传递，或者可以直接在HDL编码中定义属性，下面只讨论在HDL代码中传递属性。

   传递Verilog综合属性

   在VHDL中，很多厂商采用了一致的语法用于传递属性，但是并没有在Verilog中采用一致的语法传递属性。Verilog中历史属性的传递通过称为元件注释的方式实现。每个综合工具都有自己的元注释语法。

  Verilog2001提供了统一的用于传递属性的语法，在声明对象以前，立即声明属性，所有在属性声明的过程中并不出现对象的名字。

  下面给出Verilog综合属性传递的例子，注意不是所有的工具都支持这种写法。
 (* RLOC = "R1C0.S0" *) FDCE #(

  .INIT(1'b0)  
 )U2(

    .Q(Q1),
.C(CLK),
.CE(CE),
.CLR(RST),
.D(Q0)

   );

3、实现约束

   在处理FPGA设计时，实现约束是一系列传递给FPGA实现工具的命令，指示其映射、布局、时序或者其他向导。实现约束通常放在用户约束文件中（UCF），也可能存在于HDL代码中或综合约束文件中，实现约束的例子有

  （1）"LOC"（布局）；

  （2）"PERIOD"（时序）；

十四 例化原件和FPGA原语

1、 例化FPGA原语

   xilinx提供了一组库，包含结构特定的和定制的元件，这些元件能在设计中明确的例化作为一个元件使用。

   结构特定的元件，这些原件被建立到实现工具的库中，不需要指定一个定义就可以用于例化。在库向导中，这些原件标记为原语。在库向导中标记为宏的元件没有建立到实现工具的库中，因此不能被例化。库向导中的宏元件被定义为原理图符号。当使用宏的时候，原理图工具将宏解析成基本的元素。FPGA原语能使用HDL语言进行例化。所有的FPGA原语都在UNISIM库中。

   下面给出元件声明和端口映射的Verilog描述

  module flops(input d1,ce,clk,rst,output,q1);

   FDCE u1(
.D(d1),
.CE(ce),
.C(clk),
.CLR(rst),
.Q(q1));

  endmodule

   xilinx的原语有一组相关的属性，这些属性可以通过下面的方式添加到原语中：

 （1）VHDL属性传递；

 （2）Verilog属性传递；

 （3）VHDL类属性传递；

 （4）Verilog参数传递；

 （5）用户约束文件。

2、 例化核生成器模块

   核生成器生成：

 （1）电子数据交换格式（EDIF）或（NGC）网表，或两者都有，用来进行功能描述；

 （2）HDL例化中元件例化模板。