0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

如何提高FPGA的工作频率

FPGA设计论坛 来源:未知 2022-11-16 12:10 次阅读

如何提高电路工作频率

对于设计者来说,我们当然希望我们设计的电路的工作频率(在这里如无特别说明,工作频率指FPGA片内的工作频率)尽量高。我们也经常听说用资源换速度,用流水的方式可以提高工作频率,这确实是一个很重要的方法,今天我想进一步去分析该如何提高电路的工作频率。

我们先来分析下是什么影响了电路的工作频率。

我们电路的工作频率主要与寄存器到寄存器之间的信号传播时延及clock skew有关。在FPGA内部如果时钟走长线的话,clock skew很小,基本上可以忽略, 在这里为了简单起见,我们只考虑信号的传播时延的因素。

信号的传播时延包括寄存器的开关时延、走线时延、经过组合逻辑的时延(这样划分或许不是很准确,不过对分析问题来说应该是没有可以的),要提高电路的工作频率,我们就要在这三个时延中做文章,使其尽可能的小。

我们先来看开关时延,这个时延是由器件物理特性决定的,我们没有办法去改变,所以我们只能通过改变走线方式和减少组合逻辑的方法来提高工作频率。

1.通过改变走线的方式减少时延。
altera的器件为例,我们在quartus里面的timing closure floorplan可以看到有很多条条块块,我们可以将条条块块按行和按列分,每一个条块代表1个LAB,每个LAB里有8个或者是10个LE。它们的走线时延的关系如下:同一个LAB中(最快) < 同列或者同行< 不同行且不同列。
我们通过给综合器加适当的约束(不可贪心,一般以加5%裕量较为合适,比如电路工作在100Mhz,则加约束加到105Mhz就可以了,贪心效果反而不好,且极大增加综合时间)可以将相关的逻辑在布线时尽量布的靠近一点,从而减少走线的时延。(注:约束的实现不完全是通过改进布局布线方式去提高工作频率,还有其它的改进措施)

2.通过减少组合逻辑的减少时延。
上面我们讲了可以通过加约束来提高工作频率,但是我们在做设计之初可万万不可将提高工作频率的美好愿望寄托在加约束上,我们要通过合理的设计去避免出现大的组合逻辑,从而提高电路的工作频率,这才能增强设计的可移植性,才可以使得我们的设计在移植到另一同等速度级别的芯片时还能使用。
我们知道,目前大部分FPGA都基于4输入LUT的,如果一个输出对应的判断条件大于四输入的话就要由多个LUT级联才能完成,这样就引入一级组合逻辑时延,我们要减少组合逻辑,无非就是要输入条件尽可能的少,,这样就可以级联的LUT更少,从而减少了组合逻辑引起的时延。
我们平时听说的流水就是一种通过切割大的组合逻辑(在其中插入一级或多级D触发器,从而使
寄存器与寄存器之间的组合逻辑减少)来提高工作频率的方法。比如一个32位的计数器,该计数器的进位链很长,必然会降低工作频率,我们可以将其分割成4位和8位的计数,每当4位的计数器计到15后触发一次8位的计数器,这样就实现了计数器的切
割,也提高了工作频率。

在状态机中,一般也要将大的计数器移到状态机外,因为计数器这东西一般是经常是大于4输入的,如果再和其它条件一起做为状态的跳变判据的话,必然会增加LUT的级联,从而增大组合逻辑。以一个6输入的计数器为例,我们原希望当计数器计到111100后状态跳变,现在我们将计数器放到状态机外,当计数器计到111011后产生个enable信号
去触发状态跳变,这样就将组合逻辑减少了。

上面说的都是可以通过流水的方式切割组合逻辑的情况,但是有些情况下我们是很难去切割组合逻辑的,在这些情况下我们又该怎么做呢?

状态机就是这么一个例子,我们不能通过往状态译码组合逻辑中加入流水。如果我们的设计中有一个几十个状态的状态机,它的状态译码逻辑将非常之巨大,毫无疑问,这极有可能是设计中的关键路径。那我们该怎么做呢?还是老思路,减少组合逻辑。我们可以对状态的输出进行分析,对它们进行重新分类,并根据这个重新定义成一组组小状态机,通过对输入进行选择(case语句)并去触发相应的小状态机,从而实现了将大的状态机切割成小的状态机。在ATA6的规范中(硬盘的标准),输入的命令大概有20十种,每一个命令又对应很多种状态,如果用一个大的状态机(状态套状态)去做那是不可想象的,我们可以通过case语句去对命令进行译码,并触发相应的状态机,这样做下来这一个模块的频率就可以跑得比较高了。

总结:提高工作频率的本质就是要减少寄存器到寄存器的时延,最有效的方法就是避免出现大的组合逻辑,也就是要尽量去满足四输入的条件,减少LUT级联的数量。我们可以通过加约束、流水、切割状态的方法提高工作频率。



扫描二维码获取

更多精彩

FPGA设计论坛




欢迎关注至芯科技

至芯官网:www.zxopen.com

至芯科技技术论坛:www.fpgaw.com

至芯科技淘宝网址:

https://zxopen.taobao.com

至芯科技FPGA初级课程(B站):

https://space.bilibili.com/521850676

至芯科技FPGA在线课程(腾讯课堂):

https://zxopenbj.ke.qq.com/

至芯科技-FPGA 交流群(QQ):282124839






精彩推荐



至芯科技12年不忘初心、再度起航11月12日北京中心FPGA工程师就业班开课、线上线下多维教学、欢迎咨询!
如何在FPGA设计中充分利用NoC资源?一招Get
FPGA从入门到高手
扫码加微信邀请您加入FPGA学习交流群




欢迎加入至芯科技FPGA微信学习交流群,这里有一群优秀的FPGA工程师、学生、老师、这里FPGA技术交流学习氛围浓厚、相互分享、相互帮助、叫上小伙伴一起加入吧!



点个在看你最好看






原文标题:如何提高FPGA的工作频率

文章出处:【微信公众号:FPGA设计论坛】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • FPGA
    +关注

    关注

    1629

    文章

    21729

    浏览量

    603027

原文标题:如何提高FPGA的工作频率

文章出处:【微信号:gh_9d70b445f494,微信公众号:FPGA设计论坛】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    提高高开关频率下更高负载的效率应用报告

    电子发烧友网站提供《提高高开关频率下更高负载的效率应用报告.pdf》资料免费下载
    发表于 09-13 09:33 0次下载
    <b class='flag-5'>提高</b>高开关<b class='flag-5'>频率</b>下更高负载的效率应用报告

    什么是DDR4内存的工作频率

    DDR4内存的工作频率是指DDR4内存条在运行时所能达到的速度,它是衡量DDR4内存性能的一个重要指标。DDR4内存作为目前广泛使用的内存类型之一,其工作频率经历了从最初的低
    的头像 发表于 09-04 12:45 1352次阅读

    LLC电源转换器的工作频率

    LLC电源转换器的工作频率是一个关键参数,它直接影响到变换器的性能、效率和稳定性。然而,要详细阐述LLC电源转换器的工作频率,需要深入探讨其工作
    的头像 发表于 08-20 17:19 945次阅读

    同步降压转换器的工作频率是什么

    同步降压转换器(Synchronous Buck Converter)的工作频率是指其内部开关元件(如MOSFET)的通断频率,也就是控制器在控制电压转换过程中,开关元件在单位时间内开关的次数。这个
    的头像 发表于 08-14 10:08 355次阅读

    RFID天线的工作频率和带宽对性能影响大吗

    RFID天线的工作频率和带宽对性能的影响是非常显著的,它们直接决定了RFID系统的读写距离、穿透能力、抗干扰能力、数据传输速率以及整体稳定性等多个方面。以下是对RFID天线工作频率和带
    的头像 发表于 08-09 15:46 847次阅读

    FPGA频率测量的方法有哪些?

    FPGA在实际应用中,频率测量不可或缺,对于高频及低频信号的频率测量,FPGA有哪些方法呢?提供Verilog源码会更好。
    发表于 06-19 14:55

    使用FPGA搭建的电路,其工作频率如何设置

    如题,使用FPGA搭建的电路,其工作频率如何设置。是受制于晶振吗?
    发表于 05-12 21:15

    基于FPGA设计频率计方案介绍分享

    系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方
    发表于 03-31 16:22

    # FPGA 编程如何工作

    形式。 如果您想从事计算机科学或技术领域的职业,了解 FPGA 编程的工作原理将非常有价值。 在本文中,我们将描述什么是 FPGA 编程、它是如何工作的以及它的应用场合,并共享各种资源
    发表于 03-30 11:50

    如何提高SPI接口的LCD屏的刷新频率

    怎么样提高SPI接口的LCD屏的刷新频率
    发表于 03-28 06:24

    FPGA芯片的工作原理和使用

    FPGA(现场可编程门阵列)芯片的使用和工作原理对于初学者来说,可能是一个相对复杂但非常有趣的学习领域。
    的头像 发表于 03-27 14:59 947次阅读

    fpga全称是什么?fpga工作原理是什么?

    FPGA的全称是Field Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列。它是一种半导体逻辑芯片,可以根据用户需要,通过编程配置其内部逻辑电路结构,以实现特定的功能。FPGA的出现极大地提高了电子系统的灵活
    的头像 发表于 03-15 14:27 1658次阅读

    fpga芯片工作原理 fpga芯片有哪些型号

    FPGA芯片的工作原理主要基于其内部的可配置逻辑单元和连线资源。包括以下工作原理: 首先,FPGA内部包含可配置逻辑模块(CLB)、输出输入模块(IOB)和内部连线(Interconn
    的头像 发表于 03-14 17:17 1470次阅读

    fpga是干什么工作

    FPGA(现场可编程门阵列)主要被用于进行逻辑设计、算法实现、功能定义以及时序优化等工作。具体来说,FPGA工程师的主要职责包括但不限于以下几个方面。
    的头像 发表于 03-14 17:09 1436次阅读

    如何提高AD7747的更新频率

    资料上写的是最大45HZ,有没有办法提高更新频率,比如降低精度。
    发表于 01-01 06:10