原创 【博客大赛】关于FPGA设计数字信号处理电路的心得

FPGA使用的越来越广泛，除了可用于设计控制电路以为，数字信号处理电路更是FPGA的强项和难点。个人可以说才刚刚入门FPGA设计，也做过一些数字信号处理方面的电路设计，记录下个人心得体会。

（一）善用MATLAB来为设计做充分的准备和验证。

在学习EDA课程的时候，我们往往都是按照要求，直接打开QuartusII，噼里啪啦开始疯狂敲代码，然后仿真——不对——再改再仿真——还不对——再改直到仿真结果正确为止。不错，这的确是人们先入为主的一种方法。但这只是我们学习HDL语言，学习使用开发工具时候比较直接的方法，也只是适用于那个自己什么都不懂的阶段。面对大工程，复杂的数字逻辑，精确的数字信号处理，这样的方法只会让你无从下手。

MATLAB对数字信号处理而言，可以说是万能的。它基本包含了所有我们想要实现的运算，也可以完全得帮我们仿真出我们想要实现的某种算法。所以，在实际工程实现的时候，我们都会先使用MATLAB来仿真实现我们的目标，比如上几篇文中提到的FIR滤波器。

首先，我们使用MATLAB自带的函数，得到我们的理想值；

再用我们将采用的算法在MATLAB进行算法级的仿真（所谓算法级仿真，即和我们硬件实现的方法一致，如，卷积运算不能采用conv函数，而需要一步一步的进行相乘累加相乘累加……）；有的人说这样是多此一举的，我也可以直接就在QuartusII里写代码，跳过这一步。其实，这是急功近利的做法，恰恰这一步是很重要的。如果设计顺利，这一步看起来的确有些多余。可当我们发现，算法仿真结果与我们的理想值（我们用函数算出来的值）不一致的时候，或者在之后进行FPGA设计时序仿真出现问题的时候，它的优势就来了，MATLAB的算法级仿真，可以很快的帮你找到并解决这个问题。例如：我们设计FIR滤波器，最后时序仿真结果和我们的算法仿真不一致！怎么办？哪里的问题？是不是设计都错了？不一定，我们的算法级仿真给了我们所有的中间过程的正确结果，我们可以通过比对他们，来确定是哪个环节出了问题。

完成了MATLAB的算法级仿真，就可以开始我们的硬件代码设计了。这个时候我们会发现，不再是无从下手了，因为我们只需要按照算法级仿真代码，按照HDL语言的语法要去，再以相应数字电路的coding style编写就可以了。随后再进行仿真，对比着算法仿真的结果，进一步修正硬件代码，这个过程将十分的轻松。

（二）经常查看RTL图。

做设计，最忌讳“想当然”。当我们做过几个设计，自认为有点经验的时候，很容易会有“想当然”的心态。老是觉得，我这么写代码，那最后出来的RTL电路就一定是这个样子的……其实不然。我们知道，从代码变换到RTL电路这个过程，叫做综合，而每个型号的芯片，综合规则都是不一样的，而且有时候我们还需要设定相应的综合规则来实现我们想要的结果。本人亲身的一次经历，做一个简单的单口RAM，首先是使用IP核设计，于是思维定势的觉得，既然是IP核生成的，那肯定是同步RAM，无需再进行设定了。可直到最后输出时序总是不理想，才又让我怀疑起了这个RAM，果不其然，查看了RTL图才发现，它不是同步RAM……有了这次教训，深刻得认识到，只有看到（RTL图)，才能相信那是真的。

（三）尽量只做简单设计。

很多复杂的逻辑，实现起来很多人都想一口气用一个逻辑块来实现。这样做是很危险的……大家有空可以看看那些大牛们写的代码，再复杂的逻辑，无非多加个状态机，都不会有太多太乱的代码。一个复杂的逻辑实现，应该把它尽可能得分成简单逻辑的组合，因为如果逻辑设计得越复杂，时钟也就不能跑得很高，这对其它部分的设计带来了瓶颈，是相当不利的。

（四）遵从FPGA厂家给出的coding style。

不管是Altera还是Xilinx都给出了各自的coding style。虽然大多数情况，我们不按照那样的方式来编写代码并不会照成逻辑性的错误，但是却给设计带来了安全隐患。这样的隐患如果一旦出错，便很难通过仿真等手段来发觉。

（五）不要以为每款FPGA都是一样的。

同样的设计，换做不同的FPGA平台，其结果是不一样的！如果要深入设计FPGA，那一定要仔细阅读一款FPGA的芯片手册。个人建议是先挑一款较为大众的芯片阅读它的手册，然后可以基本掌握FPGA的结构和它工作的原理等。等熟悉了以后，就算换了芯片或者平台，也可以很快找到新的芯片的独特之处了。