前言

設(shè)計收斂是FPGA工程師面臨的一個重要課題：既要保證功耗收斂，又要保證時序收斂。兩者均與設(shè)計自身有很大關(guān)系。筆者在多年的工程實踐和技術(shù)支持過程中發(fā)現(xiàn)，很多設(shè)計未能收斂都與代碼風(fēng)格或?qū)ivado工具的理解有很大關(guān)系。

就代碼風(fēng)格而言，目前已有越來越多的工程師意識到其重要性。往往“良好的代碼風(fēng)格”能起到事半功倍的效果。“良好的代碼風(fēng)格”的一個重要指標(biāo)就是代碼風(fēng)格與FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)相匹配，保證綜合工具能夠完美地推斷出期望結(jié)果，而這一點被很多工程師忽略。例如，7系列FPGA內(nèi)部的DSP48E1是不支持異步復(fù)位的，如果乘法器使用了異步復(fù)位，那么相應(yīng)的觸發(fā)器是無法被吸收到DSP48E1內(nèi)部的，不僅消耗了額外的觸發(fā)器（SLICE內(nèi)部的觸發(fā)器），還會導(dǎo)致時序惡化。鑒于此，本書以FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以VHDL語言為描述方式，結(jié)合大量實際案例，力求幫助讀者深入理解兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。Vivado從2015.3版本開始支持VHDL-2008，隨著版本的不斷升級，對VHDL-2008的支持力度也不斷增大，并引入VHDL-2008的更多特性。相比于VHDL-93版本和VHDL-87版本，VHDL-2008版本更靈活、更易用。因此，本書采用VHDL-2008版本，同時列出所用到的VHDL-2008新特性。

就工具而言，Vivado的功能越來越強大，自身越來越智能，分析手段越來越多。這就需要工程師深入理解工具在各個階段所提供的選項含義，能夠在工程實踐中正確、合理地使用這些選項對應(yīng)的功能，同時，面對未能收斂的設(shè)計，能夠找到其中的根本原因。為此，本書也介紹了什么是有缺陷的設(shè)計、如何借助Tcl腳本找到這些缺陷，以及如何解決這些缺陷。

全書共10章。第1章從FPGA發(fā)展歷程的角度對FPGA技術(shù)進行了分析。第2章以時鐘網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)闡述了優(yōu)化時鐘網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典方法，涉及改善時鐘偏移和降低時鐘抖動。第3章～第7章分別介紹了優(yōu)化組合邏輯、優(yōu)化觸發(fā)器、優(yōu)化移位寄存器、優(yōu)化存儲器和優(yōu)化乘加運算單元的經(jīng)典方法。每章第1節(jié)均重點介紹優(yōu)化對象的基本結(jié)構(gòu)，包含目前主流的FPGA（7系列FPGA、UltraScale/UltraScale+FPGA和Versal ACAP）。每章最后1節(jié)均重點介紹如何發(fā)現(xiàn)缺陷單元及如何處理這些缺陷。第8章介紹了優(yōu)化狀態(tài)機的經(jīng)典方法，包括狀態(tài)機的“兩段式”和“三段式”描述方法、狀態(tài)機編碼方式、Vivado提供的狀態(tài)機編碼選項等。第9章闡述了優(yōu)化扇出的經(jīng)典方法。第10章闡述了優(yōu)化布線擁塞的經(jīng)典方法。這兩章以Vivado工具為核心，給出了相應(yīng)的Tcl腳本。

全書既闡述了FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又闡述了RTL代碼風(fēng)格（采用VHDL語言）；既介紹了以Vivado圖形界面為主的分析手段，又介紹了以Tcl腳本為主的分析手段。力求幫助讀者從設(shè)計輸入和設(shè)計分析兩個維度理解設(shè)計。

為便于讀者閱讀和理解書中內(nèi)容，本書給出了469張圖片、85個表格、189個VHDL代碼片段、56個Tcl腳本片段、65條設(shè)計規(guī)則和29個應(yīng)用案例。同時，為加深印象，本書在每章結(jié)束之后還列出一些常見問題留給讀者思考，共有101個問題。

FPGA設(shè)計收斂不是一蹴而就的，既需要依靠大腦智慧，又需要工具協(xié)同，兩者缺一不可。希望您閱讀本書之后對FPGA架構(gòu)和RTL代碼風(fēng)格的理解能夠更上一層樓。

您在閱讀本書的過程中，如果發(fā)現(xiàn)書中內(nèi)容有任何不當(dāng)之處，或?qū)Ρ緯鴥?nèi)容有任何建議或意見，都可發(fā)送郵件到laurengao＠126.com，不勝感激。

如果需要獲取代碼示例，可關(guān)注編著者微信公眾號“FPGA技術(shù)驛站”，回復(fù)關(guān)鍵字“設(shè)計優(yōu)化VHDL”即可。

高亞軍

2022/9/12