FPGA設計原則

1、面積與速度折中(Area&speed tradeoff)

面積和速度是晶片設計中一對相互制約、影響成本和效能的指標，貫穿FPGA設計的始終。在FPGA內部邏輯資源的數量，可以用消耗的觸發器和查詢表的個數或者是等效邏輯閘數來衡量；

速度是指一個設計在FPGA上穩定執行時所能達到的最高頻率，由設計時序狀態決定。與設計滿足的時鐘週期、CLOCK SETUP TIME、CLOCK HOLD TIME 和CLOCK-TO-OUTPUT DELAY等眾多時序特徵量密切相關。（時序約束的違規很大程度上就取決於FPGA邏輯單元之間在傳送資料的時候暫存器之間的建立時間和保持時間）

關於面積和速度的折衷，應在滿足設計時序和工作頻率要求的前提下，佔用最小的芯片面積；或者在所規定的面積下，使得設計的時序餘量最大，能夠在更高的頻率上穩定執行。**通常，在資源足夠的情況下，更多是選擇速度的最優，這也是FPGA的的特點。**在具體設計中，應根據具體效能指標要求，在保證系統功能和效能的同時，降低資源消耗從而降低功耗和成本。
 

上邊的圖走了3個加法器（相當於3個tpt延遲），是速度的優先
下邊的圖走了5個加法器，是面積的優先。

高階FPGA設計技巧：
針對速度的優化；
針對資源的優化；
針對功耗的優化。

2、硬體可實現(feasibility)

首先，HDL不是C，是描述硬體系統的語言，並行性。
    要注意FPGA的邏輯設計所採用的硬體描述語言VHDL或Verilog與軟體語言C和C++有本質區別，在使用硬體描述語言進行設計時，不應片面追求程式碼的簡潔。
其次，要採用正確的編碼方法。
    要對所需實現的硬體電路的結構和相互連線有清晰的理解和構想，然後再用適當的VHDL語言表達出來。實際上綜合軟體對所寫的程式碼在進行推論的時候，得到的硬體結果會因編碼方式的不同，直接影響硬體的實現。
 

3、層次化設計(Hierarchical Design)

FPGA作為硬體系統設計，應該對設計全域性進行巨集觀上的合理安排，包括邏輯功能模組劃分、時鐘域訊號的產生和驅動、模組複用、時序或引腳約束、面積速度折衷等。這些系統上的考慮不僅關係到是否能夠最大程度的發揮專案成員的協同設計能力，而且直接決定著設計的綜合、實現效果和相關的操作時間。
模組化設計是系統原則的一個很好體現，它是自頂向下、模組劃分、分工協作設計思路的集中體現，是大型複雜系統的推薦設計方法。

層次化設計的好處

可讀性
    易於理解設計的功能和資料流
    易於除錯
設計中的部件可重用

增加易讀性的技巧

選擇具有如下結構的層次模組：

模組之間的邏輯資料流（資料流清晰）
儘量減少模組之間的路由

選擇具有描述性質的模組名和訊號名（訊號或者模組名的可讀性）

時鐘域分離

使不同時鐘之間清晰地互動關係（時鐘管理模組獨立）

控制檔案的長度

使得讀、綜合和除錯比較簡便（檔案不宜過長，建議每個檔案不超過一百行）

4、同步設計(Synchronization)

在設計電路時，可以有非同步電路和同步電路兩種實現方法。非同步電路使用組合邏輯電路實現，沒有統一的時鐘訊號，容易產生毛刺和冒險競爭；同步時序電路使用組合邏輯和觸發器實現電路功能，主要訊號和輸出訊號都由時鐘驅動觸發器產生，能夠避免毛刺，訊號穩定。（同步和高速掛鉤，沒有同步電路就沒有高速數位電路）

IP核的使用

1、什麼是IP？

IP即Intellectual Property(智慧財產權)
美國Dataquest公司於2001年將ASIC、ASSP、PLD（FPGA/CPLD)中預先設計好的功能模組稱為IP，該稱謂被業界接受。
一般是指在我們設計裡面的可重用的模組，有一定規模同時經過了嚴格測試，可重用的模組。

2、Altera的IP包括哪些內容？

Altera IP Core：免費的基本巨集功能Megafunctions（包括了一些基本的I/O輸入輸出的一些核、算數的一些核和儲存器的一些核）；收費的通用模組MegaCore（第三方的廠商開發的一些核，例如HDMI，DDR控制器包含了很多技術含量的核）

什麼是LPM？
LPM即Library of Parameterized Modules（可定參模組庫）的縮寫
庫中的邏輯函式可以現場定製（通過修改引數Paramters）
從而實現庫函式的可擴充套件型
增加了庫函式的適應性（彈性需求）

3、IP分類

IP通常實現的過程分類：
IP type
軟核（IP soft core）：
用HDL語言的形式描述功能塊的行為，不涉及電路與元件

固核（IP firm core）：
（Gate Level的形式）完成了綜合的功能塊，有較大的設計深度，以網表的形式提供使用

硬核（IP hard core）：
提供最終階段產品---掩膜（Mask），幾乎沒有光學的都是數字的。

不同核的比較：
軟核：設計週期短，投入少
固核：較大的設計深度，重用性好
硬核：（photo mask）後續工作少，但靈活性受限（ASIC：專門積體電路；ASSP：在特殊應用中使用而設計的積體電路）