Verilog HDL模型優(yōu)化范文
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摘要本文基于模型優(yōu)化的必要性，對使用Veriloghdl建模時可以運用的優(yōu)化手段作了詳細的闡述，對設(shè)計者具有一定的指導(dǎo)意義。
1引言
每個設(shè)計者在進行Verilog建模時都會形成自己的設(shè)計風(fēng)格，同一個電路設(shè)計，用Verilog描述可以寫出許多邏輯上等價的模型，而大多數(shù)設(shè)計者考慮的主要是代碼書寫上的方便和功能上是否正確，對設(shè)計的模型是否最優(yōu)化結(jié)構(gòu)卻考慮甚少，這樣不僅加重了邏輯綜合的負(fù)擔(dān)，影響綜合效率，而且很可能會導(dǎo)致設(shè)計出的芯片未達到最優(yōu)的面積和速度。因此，在Verilog建模時，很有必要進行模型優(yōu)化。
2模型優(yōu)化概述
影響一個芯片性能的指標(biāo)主要有兩個：面積和速度。模型優(yōu)化就是通過一定的手段對模型的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整、組合和精簡，從而使設(shè)計出的芯片達到更小的面積和更快的速度。
綜合所生成的邏輯易受模型描述方式的影響。把語句從一個位置移到另一個位置，或者拆分表達式都會對所生成的邏輯產(chǎn)生重大影響，這可能會造成綜合出的邏輯門數(shù)有所增減，也可能改變其定時特性。因此，采取一定的手段可以實現(xiàn)對邏輯的優(yōu)化。但是由于優(yōu)化終點包含的兩個方面面積和速度是互相矛盾的，優(yōu)化一個方面必定影響另一個方面，而無法實現(xiàn)面積和速度都達到最優(yōu)，這就需要設(shè)計者對兩者進行權(quán)衡，看設(shè)計偏重于哪個方面，而采取不同的優(yōu)化起點。
下面分別從面積和速度兩個方面對模型優(yōu)化的手段進行介紹。
3面積的優(yōu)化3.1提取公共子表達式
如果條件語句的互斥分支中有公共子表達式，可以提取該公共子表達式。如下面的模型可以提取公共子表達式：
if(enable)
P=A&(B+C)；
else
Q=(B+C)|D；
此模型中條件語句的互斥分支中都計算了表達式B+C，因此，應(yīng)將該表達式提取出來放在條件語句之前進行賦值，新模型如下所示：
Tmp=B+C；//引入一個臨時變量
if(enable)
P=A&Tmp；
else
Q=Tmp|D；
這樣，綜合工具就會綜合出一個加法器，而原來的模型則會綜合出兩個加法器。引申到一般情況，若在邏輯中找到有公共子表達式，就可以將該公共子表達式賦值給一個臨時變量，然后用該臨時變量來表示該公共子表達式，這樣就可以減少綜合出的ALU單元的數(shù)量，以實現(xiàn)面積的優(yōu)化。
3.2代碼移位
如果在循環(huán)語句內(nèi)某個表達式的值在每次循環(huán)中都不變化，可以將該表達式移至循環(huán)之外。如下面的模型可以進行代碼移位：
P=…
…
for(i=1；i<=5；i++)
begin
…
Q=P+5；//假設(shè)循環(huán)中未對P賦新值
…
end
賦值語句“Q=P+5；”右端的表達式不隨循環(huán)變量而變，因此，應(yīng)將該表達式移至循環(huán)之外，新模型如下所示：
P=…
…
Tmp=P+5；//引入一個臨時變量
for(i=1；i<=5；i++)
begin
…
Q=Tmp；
…
end
這樣，綜合工具對“P+5”只會綜合出一個加法器，而原來的模型會產(chǎn)生5個加法器，每循環(huán)一次就產(chǎn)生一個，造成了代碼冗余。優(yōu)化后的新模型不僅減少了綜合出的ALU單元的數(shù)量，而且提高了仿真效率。
3.3資源共享
資源共享是指在互斥條件下共享算術(shù)邏輯單元(ALU)的過程。如下面的模型：
if(num>5)
P=A+B；
else
P=A-C；
如果不采用資源分配，算符“＋”和“－”就會被綜合成兩個單獨的ALU。而如果采用了資源分配，僅需一個ALU就可以實現(xiàn)“＋”和“－”這兩種運算。這是因為這兩種算符總是互斥地使用。此外還生成了一個多路選擇器，用來從B和C中選擇合適的量接到ALU的第二個輸入端上。實際上，資源分配就是共享算符的過程。共享算符有以下幾種可能的情況：
(1)算符相同，運算量相同。如：A+B和A+B，這種情況同“提取公共子表達式”，顯然必須共享。
(2)算符相同，有一個運算量不同。如：A+B和A+C，這時需引入一個多路選擇器，要進行面積與速度之間的權(quán)衡。
(3)算符相同，運算量都不同。如：A+B和C+D，這時需引入兩個多路選擇器，要進行面積與速度之間的權(quán)衡。
(4)算符不同，運算量相同。如：A+B和A-B，可以將“＋”和“—”合成一個ALU單元，要共享。
(5)算符不同，有一個運算量不同。如：A+B和A-C，這時需引入一個多路選擇器，要進行面積與速度之間的權(quán)衡。
(6)算符和運算量都不同。如：A+B和C-D，這時需引入兩個多路選擇器，要進行面積與速度之間的權(quán)衡。
在共享ALU的時候，要在ALU的某個輸入端引入多路選擇器，這樣會增加路徑的延遲。因此，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)實際情況權(quán)衡是優(yōu)化面積重要還是優(yōu)化速度重要，如果是在“定時至上”的設(shè)計中，最好不要采用資源共享。
此外，對于復(fù)雜的運算單元，可以采用函數(shù)和任務(wù)來定義這些共享的數(shù)據(jù)處理模塊，以減少器件資源的消耗，降低成本。
3.4消除觸發(fā)器
有些設(shè)計者為了圖編寫代碼的方便，喜歡將同一條件控制下的賦值語句寫在一個時序控制語句中，如下面的模型：
always@(posedgeCLK)
begin
case(State)
0：
begin
preState<=1；
Dout<=16’h56；
end
1：
begin
preState<=0；
Dout<=16’h29；
end
endcase
end
設(shè)計者的本意僅是要把preState的值保存在上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器中，而Dout的值只是受State影響的組合邏輯，原本只需要1個觸發(fā)器即可，而上述模型綜合后的網(wǎng)表會生成17個觸發(fā)器，浪費了資源，優(yōu)化后的模型如下所示：
always@(posedgeCLK)//推導(dǎo)出觸發(fā)器
begin
case(State)
0：preState<=1；
1：preState<=0；
endcase
end
always@(State)//組合邏輯
begin
case(State)
0：Dout<=16’h56；
1：Dout<=16’h29；
endcase
end
3.5消除鎖存器
推導(dǎo)鎖存器的規(guī)則是：
(1)變量在條件語句(if或case語句)中被賦值。
(2)變量未在條件語句的所有分支中都被賦值。
(3)在always語句的多次調(diào)用之間需要保存變量值。
同時滿足以上3個條件，就會將變量推導(dǎo)成鎖存器。有的設(shè)計者可能會圖省事沒有在所有的條件分支中對變量進行賦值，這樣就導(dǎo)致原本不需要產(chǎn)生鎖存器的變量產(chǎn)生了鎖存器，而浪費了資源。
消除鎖存器的最好方法是在設(shè)計時明確哪些變量需要鎖存器，哪些則不需要。對不需要推導(dǎo)出鎖存器的變量，在其所有條件分支中都對其賦值，或者是在條件語句之前對其進行初始化賦值。
4速度的優(yōu)化4.1使用括號
在表達式中使用括號，可以控制所綜合出的邏輯電路的結(jié)構(gòu)，縮短電路的關(guān)鍵路徑，從而實現(xiàn)速度的優(yōu)化。
例如對語句P=A+B-C+D，綜合工具在綜合右端表達式時遵循從左至右進行演算，就會構(gòu)造出如圖1所示的電路。
使用括號后的語句為：P=(A+B)-(C-D)，綜合后的電路如圖2所示。
圖1未使用括號綜合出的電路圖2使用括號綜合出的電路
很顯然，未使用括號時關(guān)鍵路徑的深度為3，而使用括號后的關(guān)鍵路徑深度為2，優(yōu)化了速度。
4.2提取關(guān)鍵路徑
在電路設(shè)計中，有些信號的路徑比較長，或者信號本身就來得比較晚，從而造成電路的建立時間不夠。這種引起電路建立時間不夠的信號路徑稱為關(guān)鍵路徑。這種關(guān)鍵信號路徑大多要提取出來特別對待，以盡量減少它的延時。
4.2.1提取重復(fù)變量
如語句P=(a&b&c)|(b&d&e)中的信號b的路徑就是關(guān)鍵路徑，可以提取出來單獨處理，提取關(guān)鍵路徑前后的電路模型如圖3所示。
圖3電路模型比較
由圖中可以看出，信號b的路徑由2級變成了1級，增加了其建立時間，縮短了延遲，而且還減少了一個與門，既提高了速度又減少了面積。
4.2.2提取先行關(guān)鍵路徑
如下面的模型所示：
always@(aorborcordoreorcurrent_out)
begin
next_out=current_out；
if(!a)begin
if(b&!(d&!e))next_out=!c；
elsenext_out=c；
end
elseif(d&!e)next_out=c；
end
其中，輸入信號e在always語句塊中是個時間非常緊的關(guān)鍵信號，需要進行特殊處理。處理后的模型如下所示：
always@(aorborcordoreorcurrent_out)
begin
next_out=current_out；
if(e)begin
if(!a)begin
if(b)next_out=!c；
elsenext_out=c；
end
end
elsebegin
if(!a)begin
if(b&!d)next_out=!c；
elsenext_out=c；
end
elseif(d)next_out=c；
end
end
上述模型描述了關(guān)鍵信號e的分步提取方法，改寫后的描述都與原always塊邏輯等效。
5其它優(yōu)化手段5.1引用工藝庫中預(yù)定義的宏結(jié)構(gòu)
設(shè)計者可以根據(jù)需要使用模塊實例化語句來實現(xiàn)預(yù)定義功能塊，就好像對待元件那樣，在模型中對其進行實例化，然后再綜合此實例模型。例如，要建立一個加法器，根據(jù)面積約束，可以調(diào)用一個面積高效的行波加法器，而根據(jù)延時約束，可以調(diào)用一個快速但面積較大的先行結(jié)構(gòu)加法器。
5.2使用小型設(shè)計
實驗研究表明邏輯電路規(guī)模在2000門至5000門時邏輯優(yōu)化器的優(yōu)化效果最佳，因此，設(shè)計時應(yīng)盡量組織成多個模塊或多個always語句段。
綜合過程的運行時間主要用于邏輯優(yōu)化，它與設(shè)計規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系，因此將各個子功能塊的規(guī)模保持在可處理的設(shè)計范圍內(nèi)很關(guān)鍵。
5.3傳播常量
使用常量傳播技術(shù)可以增加電路模型修改的靈活性和可移植性。如果有一個確定意義的常量并且在模型中的多處地方都引用到，則可以將該常量值定義為一個常量符號，然后直接引用該常量符號即可，如下所示：
parameterCOUNT=16；
…
P=COUNT*2；
for(i=0；i<COUNT-1；i++)
…
其中，COUNT表示的是循環(huán)次數(shù)，根據(jù)需要可以在語句“parameterCOUNT=16；”中修改其值。由于它是一個常量，在綜合時不會為表達式“COUNT*2”和“COUNT-1”生成任何硬件，而是在編譯時直接計算出表達式的值并將其賦給變量。
6結(jié)束語
一般情況下，綜合工具會自動對Verilog模型進行優(yōu)化，但如果設(shè)計者在電路設(shè)計時直接就編寫出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的電路模型，就會大大減少綜合工具的運行時間，甚至有時候綜合工具無法優(yōu)化的結(jié)構(gòu)經(jīng)過手工調(diào)整后實現(xiàn)了優(yōu)化的目的。因此，養(yǎng)成良好的設(shè)計風(fēng)格是很重要的，在設(shè)計時不僅要保證設(shè)計的正確性，還要注重設(shè)計的高效性，避免不必要的反復(fù)修正，這樣才能提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期。
參考文獻
[1]王金明．VerilogHDL程序設(shè)計教程．北京：人民郵電出版社，2004.1
[2]J.Bhasker．VerilogHDL綜合實用教程．北京：清華大學(xué)出版社，2004.1