基本的程序和对应生成的RTL电路

我们写一段FPGA程序，应该认识到不同的代码产生的结果一样，使用资源却不一样。有时候看起来我们的代码很简洁，可是结果使用的资源却比你看起来复杂的程序使用的资源多很多。本文是一个很简单的程序，对应的RTL电路，探讨最基本的资源占用问题。我是菜鸟，写一篇文档不容易，希望通过。 在FPGA设计中，我们通常使用硬件描述语言（HDL），如VHDL或Verilog，来编写程序，这些程序最终会被编译成RTL（Register Transfer Level）电路，即逻辑门级电路。RTL电路是FPGA实现功能的基础，它描述了数据如何在硬件中的寄存器之间转移和处理。本文通过对比不同编程方式，探讨了如何影响RTL电路的资源占用。 我们关注VHDL中的变量（Variable）和信号（Signal）的区别。在VHDL中，变量是瞬态的，其改变是立即完成的，因此在图1-1的例子中，由于变量g没有寄存器驱动，仅与逻辑门e相连，只占用了2个LE。而如果将变量改为信号，如图2-1所示，由于信号的赋值是延迟的，会在下一个时钟边缘发生，因此g-2后面会多出一个寄存器，导致资源增加。 接着，我们讨论数据流（Dataflow）方式。在没有时钟信号约束的情况下，例如图3-1的代码，RTL电路将表现为组合逻辑，不包含时序逻辑的寄存器，减少了对LE的使用。 在Verilog中，reg类型变量用于表示寄存器，如图4-1所示，这会导致生成的RTL电路包含g寄存器，占用3个LE。然而，当使用非阻塞赋值（<=）时，即使变量类型仍为reg，如图5-1所示，由于赋值操作与时钟无关，g的行为变为组合逻辑，故不占用额外的寄存器资源。 Verilog的assign语句用于创建组合逻辑，如图6-1所示，它不涉及时钟，因此生成的RTL电路仅包含2个LE。 VHDL和Verilog中变量、信号的选择，以及赋值方式的不同，直接影响了生成的RTL电路结构和资源占用。理解这些差异对于优化FPGA设计至关重要，尤其是在资源有限的环境中，合理地安排逻辑和存储元素可以有效提高设计效率。同时，开发者应根据设计需求和性能目标选择合适的编程策略，以实现最佳的硬件实现。