FPGA中的面積優化

一、優化的意義

面積優化，就是在實現預定功能的情況下，使用更小的面積。通過優化，可以使設計能夠運行在資源較少的平台上，節約成本，也可以為其他設計提供面積資源。

二、操作符平衡

對於復雜邏輯操作，輸入到輸出的對稱性越好，往往中間邏輯就越少，面積越小。一般優化中，可以將不關注中間信號的設計的邏輯優化掉，實現對稱結構。

三、打破設計流水

流水設計可以提高時序余量，同樣需要消耗面積資源。去除這些緩存器，降低設計的頻率，即可實現面積的優化。

四、資源共享

（1）互斥操作的共享

對於不會同時出現的操作，其共用單元可以共享，方法有很多，簡單的就是使用控制信號切換模塊的工作模式。

（2）表達式共享

將可以寫成一樣結構的表達式用括號連接起來。

（3）邏輯功能模塊共享

某些邏輯功能相同的模塊，可以進行共享，但是控制邏輯可能會復雜一些。

五、復位對設計面積的影響

能不用復位最好不用，優先使用異步復位，其次使用同步復位。三者的資源消耗依次增加。

六、器件角度的面積節約

（1）使用原語設計

可以直接調用數字電路的結構，降低面積的使用率。

（2）使用觸發器控制端口

某些復位信號可以作為輸入來實現某些功能。

（3）多路選擇器優化

每個LAB自帶的信號有：時鍾、時鍾使能、異步清零、異步加載、同步清零、同步加載。

1️⃣時鍾和時鍾使能

時鍾用於驅動LAB中的寄存器，時鍾使能則是驅動數據。但是一般不要使用這些低扇出的信號，對LAB的使用率產生消極的影響。

2️⃣異步加載和異步清零

異步清零可以使用全局或者普通布線資源，二異步加載只能使用普通布線資源。兩者同樣控制LAB內部的寄存器。

3️⃣同步清零和加載

在LAB中，同步信號一般全局使用。

了解了LAB常用的信號，然后看一下多路選擇器的實現：

①二進制多路選擇器（case）：二進制編碼的選擇器

②多路復用選擇器（case 狀態機 IF）：采用獨熱編碼的選擇器

③帶優先級多路選擇器（IF）：由比較器組成的選擇器。

上面三種結構中，資源消耗依次增加。

如果想進一步縮小資源消耗，則可以使用LAB的全局資源實現選擇。

七、小結

想要節約面積，就必須盡可能地利用資源。從簡單的從大到小的順序調整，到人為的共享，再到結構的改變，還有硬件結構資源的利用，都是在不斷地提高資源使用頻率。對於某些設計的資源緊張時，可以考慮這些方法進行設計簡化。