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RTL設計指導原則之面積和速度互換

冬至子 ? 來源:Andy的ICer之路 ? 作者:AndyICer ? 2023-06-05 15:46 ? 次閱讀

前言

00

一般來說,面積是一個設計所消耗的目標器件的硬件資源數量或者ASIC芯片的面積。速度是指設計在芯片上穩定運行時所能夠達到的最高頻率,這個頻率由設計的時序狀況決定。

面積和速度是對立統一的矛盾體 ,既想要設計面積最小,又想運行頻率最高,這是不現實的??茖W的設計目標應該是在滿足設計時序要求(包含對設計最高頻率的要求)的前提下,占用最小的芯片面積,或者在所規定的面積下,使設計的時序余量更大,頻率更高。

一個設計如果時序余量較大,所能跑的頻率遠遠高于設計要求,能通過功能模塊復用減少整個設計所消耗的芯片面積,用速度的優勢對換面積的節約。

一個設計的時序要求很高,普通方法達不到設計頻率,可以通過將數據流串并轉換,并行復制多個操作模塊,對整個設計采取“乒乓操作”和“串并轉換”的思想進行處理,在芯片輸出模塊處再對數據進行“并串轉換”。

串并轉換 并串轉換

01

例如輸入數據流的速率是450Mbit/s,而在FPGA上設計的數據處理模塊的處理速度最大為150Mbit/s,在這種情況就應該利用“面積換速度”的思想,至少復制3個處理模塊。首先將輸入數據進行串并轉換,然后利用這3個模塊并行處理分配的數據,最后將處理結果并串轉換以滿足數據速度的要求。

圖片

乒乓操作

02

“乒乓操作”是一個常常應用于數據流控制的處理技巧,乒乓操作的結構如下圖所示:

圖片

數據緩沖模塊一般是常用的存儲單元,例如雙口RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。

第一個緩沖周期:將輸入的數據流緩存到數據緩沖模塊1;

第二個緩沖周期:通過輸入數據選擇單元的切換,將輸入數據緩存到數據緩沖模塊2,同時數據緩沖模塊1通過輸出數據選擇單元輸出數據;

第三個緩沖周期:通過輸入數據選擇單元的切換,將輸入數據緩存到數據緩沖模塊1,同時數據緩沖模塊2通過輸出數據選擇單元的切換輸出數據;

如此循環,直到輸入結束。

乒乓操作有兩個優點:1、完成數據的無縫緩沖與處理;2、節約緩沖區空間。

完成數據的無縫緩沖與處理 :從上面乒乓操作的描述中可以看出,數據基本上是源源不斷地輸入輸出,只不過是中間的過程用了流水線式的設計來處理。根據這個優點可以 用低速模塊處理高速數據流 ,其核心思想還是通過串并轉換實現 積換速度 。

節約緩沖區空間 :例如需要將一幀的數據延時一個時隙后處理,最直接的辦法就是將這幀數據緩存起來,然后延時一個時隙進行處理,這時緩沖區的長度是一幀數據的長度。如果使用乒乓操作,用8個時隙完成一幀數據的傳輸,只需要兩個小的緩沖區即可,一個緩沖區是1/8幀數據的大小,其核心思想是 速度換面積 。

流水線設計

03

流水線設計大家應該都不陌生,福特發明了流水線提高了工人的效率,硬件電路也因為流水線而元氣滿滿。

流水線特點: 通過插入寄存器,將長的串行邏輯鏈分成較小的部分;當系統運算是串行的時候,利用時鐘控制,使運算依照順序接續進行;在任何給定時刻,大部分電路都在工作。

流水線好處: 每一部分延時較小,可以使用更快的時鐘;大部分電路同時進行運算,可以提高數據通過量。

電路的最高頻率取決于最長組合邏輯鏈路的延遲值,所以減少最長組合邏輯鏈的延遲值,有利于提高電路速度。我們先來看一下不使用流水線的電路有什么問題:

圖片

可以從上面的圖看出,組合邏輯鏈會有很大部分的閑置電路,根據這個基礎我們來分析一下計算log(|a+b|)的硬件電路:

圖片

計算最小周期,即計算出電路最大頻率,對照電路的最小周期主要是加法器延時+求絕對值延時+求對數延時,因為一個部分電路在工作時,另一個部分的電路在閑置;

而流水線電路的最小周期主要是?。臃ㄆ餮訒r,求絕對值延時,求對數延時)的最大值,可以看出流水線電路比原來的電路頻率大約快3倍左右,因為流水線是每一個部分的電路都在工作,效率大大提高。

接下來我們來看一下流水線與非流水線電路的比較,以4級流水線為例。

圖片

以上是4級流水線的結構圖, 要注意的是流水線是按照延遲劃分的,不是按照功能劃分的 。具體流水線與非流水線電路的性能比較如下:

圖片

根據上面的性能比較表格,可以得知,具體使用流水線好還是非流水線好,還是要根據實際情況計算比較,一般來說流水線會較好。

另外, 流水線分割點及級數的確定要考慮的因素:

①單元延遲時間及時鐘頻率的大小決定了數據通過速率;

②過多的級數不一定能產生最快的結果;

③太多寄存器的插入會導致芯片面積增加,布線困難,時鐘偏差增加;

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