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9.2 FPGA系统设计的3种常用技巧
9.2.1 乒乓操作技巧
1．乒乓操作的原理
乒乓操作是FPGA设计中最常用的一种数据缓冲方法，简单而且实用，其原理示意图如图9.5所示。
图9.5 乒乓操作原理
输入的数据经过选择开关后，分别进入缓冲模块1和缓冲模块2。当数据写入缓冲模块1的时候，数据处理单元从缓冲模块2读取数据进行处理；当数据写入缓冲模块2的时候，数据处理单元从缓冲区模块1读取数据进行处理。
这样做的目的是给数据处理单元赢得更多的处理时间，避免因为数据处理时无法持续接收而丢失有效数据。因此，乒乓操作适合那些数据处理以帧为单位，而且每帧的处理最长时间小于帧周期的情况。
2．乒乓操作的特点
（1）乒乓操作的最大特点是无缝缓冲与处理。
通过“输入数据选择开关”和“输出数据选择开关”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有时间停顿地送到“数据处理单元”，被运算与处理。
把乒乓操作模块当作一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿。因此非常适合对数据流进行流水线式处理，常常被应用于流水线式算法。
（2）乒乓操作的第二个特点是节约缓冲区空间。
比如在WCDMA基带应用中，1帧（Frame）是由15个时隙（Slot）组成的。有时需要将1整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时1个时隙，进行处理。这时缓冲区的长度是1整帧数据长，假设数据速率是3.84Mbit/s，1帧长10ms，则此时需要缓冲区长度是38400bit。
如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲1个slot数据的RAM（单口RAM即可）。当向一块RAM写数据的时候，从另一块RAM读数据，然后送到处理单元处理。此时，每块RAM的容量仅需2560bit即可，2块RAM加起来也只有5120bit的容量。
3．乒乓操作的灵活应用
巧妙地运用乒乓操作，还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。
如图9.6所示，数据缓冲模块采用了双口RAM，并在DPRAM后引入了一级处理模块。这个数据预处理根据需要可以是各种数据运算。比如在WCDMA设计中，对输入数据流的解扩、解扰、去旋转等。
图9.6 使用低速处理模块处理高速数据流
假设端口A的输入数据流的速率为100Mbit/s，乒乓操作的缓冲周期是10ms。我们下面一起分析一下各个节点端口的数据速率。
输入数据流A端口处数据速率为100Mbit/s，在第1个缓冲周期10ms内，通过“输入数据选择开关”，从B1到达DPRAM1。B1的数据速率也是100Mbit/s，在10ms内，DPRAM1要写入1Mbit/s数据。
同理在第2个10ms，数据流被切换到DPRAM2，端口B2的数据速率也是100 Mbit/s，DPRAM2在第2个10ms被写入Mbit/s数据。周而复始，在第3个10ms，数据流又切换到DPRAM1，DPRAM1被写入1 Mbit/s数据。
仔细分析一下，就会发现到第3个缓冲周期时，留给DPRAM1读取数据并送到“处理模块1”的时间一共是20ms。
（1）首先在第2个缓冲周期，向DPRAM2写数据的10ms内，DPRAM1可以进行读操作。
（2）其次在第1个缓冲周期的第5ms起（绝对时间为5ms时刻），DPRAM1就可以边向500Kbit/s以后的地址写数，边从地址0读数，到达10ms时，DPRAM1刚好写完了1Mbit/s数据，并且读了500Kbit/s数据，这个缓冲时间内DPRAM1读了5ms的时间。
（3）另外在第3个缓冲周期的第5ms起（绝对时间为35ms时刻），同理可以边向500Kbit/s以后的地址写数，边从地址0读数，又读取了5个ms，所以截止DPRAM1第一个周期存入的数据被完全覆盖以前，DPRAM1最多可以读取了20ms时间，而所需读取的数据为1 Mbit/s，所以端口C1的数据速率为：1 Mbit/s /20ms=50 Mbit/s。
因此“处理模块1”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50 Mbit/s。同理“处理模块2”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50 Mbit/s。换言之，通过乒乓操作，“处理模块”的时序压力减轻了，所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的1/2。
通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过DPRAM这种缓存单元，实现了数据流的串并转换，并行用“处理模块1”和“处理模块2”处理分流的数据，是面积与速度互换原则的有一个体现。
9.2.2 串并/并串转换技巧
串并转换是FPGA设计的一个重要技巧，从小的着眼点讲，它是数据流处理的常用手段；从大的着眼点讲，它是面积与速度互换思想的直接体现。
串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序和数量的要求，可以选用寄存器、RAM等实现。如图9.5所示的乒乓操作举例，就是通过DPRAM实现了数据流的串并转换，而且由于使用了DPRAM，数据的缓冲区可以开得很大。
对于数量比较小的设计，可以采用寄存器完成串并转换。如无特殊需求，应该用同步时序设计完成串并之间的转换。比如数据从串行到并行，数据排列顺序是高位在前，可以用下面的编码实现：
prl_temp <= { prl_temp, srl_in };
其中，prl_temp是并行输出缓存寄存器，srl_in是串行数据输入。
对于排列顺序有规定的串并转换，可以用case语句判断实现。对于复杂的串并转换，还可以用状态机实现。串并转换的方法总的来说比较简单，在此不做更多的解释。
9.2.3 硬件流水线操作技巧
流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是“单流向”的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法提高系统的工作频率。
流水线设计的结构示意图如图9.7所示。
图9.7 流水线设计的结构示意图
它的基本结构为：将适当划分的n个操作步骤单流向串联起来。
流水线操作的最大特点和要求是：数据流在各个步骤的处理从时间上看是连续的。如果将每个操作步骤假设为通过一个D触发器（就是用寄存器打一个节拍），那么流水线操作就类似一个移位寄存器组，数据流依次流经D触发器，完成每个步骤的操作。流水线设计时序示意图如图9.8所示。
图9.8 流水线设计时序示意图
流水线设计的一个关键在于整个设计时序的合理安排。要求每个操作步骤的划分合理。如果前级操作时间恰好等于后级的操作时间，设计最为简单，只要前级的输出直接汇入后级的输入即可。如果前级操作时间大于后级的操作时间，则需要对前级的输出数据适当缓存，才能汇入后级的输入端。如果前级操作时间恰好小于后级的操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流，或者在前级对数据采用存储、后处理方式，否则会造成后级数据溢出。
在WCDMA设计中经常使用到流水线处理的方法，如RAKE接收机、搜索器、前导捕获等。
流水线处理方式之所以频率较高，是因为复制了处理模块，它是面积换取速度思想的又一具体体现。
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