FPGA中逻辑复制

huammm

在FPGA设计中经常使用到逻辑复制，逻辑复制也用在很多场合。

1．    信号驱动级数非常大，扇出很大，需要增加驱动力


　　逻辑复制最常使用的场合时调整信号的扇出。如果某个信号需要驱动后级很多单元，此时该信号的扇出非常大，那么为了增加这个信号的驱动能力，一种办法就是插入多级Buffer，但是这样虽然能增加驱动能力，但是也增加了这个信号的路径延时。
　　为了避免这种情况这时可以复制生成这个信号的逻辑，用多路同频同相的信号驱动后续电路，使平均到每路的扇出变低，这样不需要插入Buffer就能满足驱动能力增加的要求，从而节约该信号的路径延时。如从图1.1到图1.2转变所示。                                                                     

                               
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.1  逻辑复制前

                              

                               
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1.2  逻辑复制后
　　由于现在综合器都已经非常智能，此种场合的逻辑复制工作大多由综合器完成，不需要人手动调整。各大FPGA厂商的综合器以及第三方综合器都有这种功能。

2．    FPGA中需要做很多重复工作


　　在某些FPGA设计中，需要很多重复设计的时候，这时候逻辑复制也就有用了。
　　例如：在某个特殊应用场合需要设计方向可以任意改变的240位宽的三态IO管脚。我们先看看常用的一个位宽的三态管脚怎么设计。

                               
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module inout_interface(
    dat_in,
    io_out,
    io_dir,
    dat_out
    );
    input       dat_in;
    input       io_dir;
    output      dat_out;
    inout       io_out;
   
    assign      io_out  = io_dir ? dat_in : 1'bz;
    assign      dat_out = io_out;
   
endmodule

                               
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　　如上述程序所示为单个双向IO口的典型设计代码，中间由IO输入方向控制数据和高阻之间的切换，难题出现了，怎么设计240位宽的双向IO口呢？难道如下列程序所示：

                               
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module inout_interface(
    dat_in,
    io_out,
    io_dir,
    dat_out
    );
    input  [239 : 0]     dat_in;
    input  [239 : 0]     io_dir;
    output [239 : 0]     dat_out;
    inout  [239 : 0]     io_out;
   
    assign      io_out  = io_dir ? dat_in : 240'bz;
    assign      dat_out = io_out;
   
endmodule

                               
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　　显然这样是不行的，因为当io_dir为240位的时候只有当全为0的时候此式才为假，其余时候都为真，显然达不到想要的每个IO都是双向口的设计。
修改代码如下：

                               
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module inout_interface(

    dat_in,

    io_out,

    io_dir,

    dat_out

    );

    input  [239 : 0]     dat_in;

    input  [239 : 0]     io_dir;

    output [239 : 0]     dat_out;

    inout  [239 : 0]     io_out;

   

    assign      io_out[0]  = io_dir[0] ? dat_in[0] : 1'bz;

    assign      dat_out[0] = io_out[0];

   

    assign      io_out[1]  = io_dir[1] ? dat_in[1] : 1'bz;

    assign      dat_out[1] = io_out[1];

   

    assign      io_out[2]  = io_dir[2] ? dat_in[2] : 1'bz;

    assign      dat_out[2] = io_out[2];

   

    .

    .       // 此处略去1万行

    .

   

    assign      io_out[239]  = io_dir[239] ? dat_in[239] : 1'bz;

    assign      dat_out[239] = io_out[239];

   

endmodule

                               
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　　显然这种办法能实现240位宽的独立方向控制IO，但是估计写代码要累死人，有没得更好的办法呢？
　　当然有，在verilog2001中有个逻辑复制语法——generate，可以对verilog模块进行无限复制。有了这个模块我们即可轻松通过逻辑复制来达到我们的要求了。

                               
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// 单个双向IO实现模块

module  pin_inout(

    indat,

    indir,

    outdat,

    outdatin

    );

   

    input       indat;

    input       indir;

    inout       outdat;

    output      outdatin;

   

    assign      outdat   = indir ? indat : 1'bz;

    assign      outdatin = outdat;



endmodule



module inout_interface(

    dat_in,

    io_out,

    io_dir,

    dat_out

    );

    input  [239 : 0]     dat_in;

    input  [239 : 0]     io_dir;

    output [239 : 0]     dat_out;

    inout  [239 : 0]     io_out;

   

    // 逻辑复制240次

    genvar  i;

    generate

        for(i = 0; i < 240; i = i + 1)

        begin : pin_loop

            pin_inout   pin_inout_inst(

                .indat          (   dat_in       ),

                .indir          (   io_dir       ),

                .outdat         (   io_out       ),

                .outdatin       (   dat_out      )

            );

        end

    endgenerate

   

endmodule

                               
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　　由上面代码可看出，巧妙利用verilog语法能减少自身工作量。

3．    总结


　　在FPGA设计中有些情况的逻辑复制不需要我们做，但是有些情况的逻辑复制不得不手工完成，因此，熟练掌握verilog语法是设计出好的模型、减少工作量的前提。