学位论文
２ＦＰＧＡ的结构与设计原则硕士论文２．４ＦＰＧＡ设计基本原则
可编程逻辑设计有许多内在的规律可循，总结并掌握这些规律对于深刻地理解可编
程逻辑设计非常重要。本章从ＦＰＧＡ的基本概念出发，讨论ＦＰＧＡ的４个基本设计原则１１５］
Ｏ
（１）面积和速度的平衡原则与互换原则
面积和速度的平衡与互换原则提出了ＦＰＧＡ设计的两个基本目标，并探讨了这两
个目标的对立统一关系。
（２）硬件原则
硬件原则重点在于提醒设计者转化软件设计的思路，理解ＨＤＬ语言设计的本质。
（３）系统原则
系统原要求设计者能够通过全局、整体上把握设计，从而提高设计质量，优化设计
效果。
（４）同步设计原则
同步设计原则是设计时序稳定的基本要求，也是高速ＦＰＧＡ设计的通用法则。
２．４．１面积和速度的平衡与互换原则
这里的“面积”是指一个设计所消耗的ＦＰＧＡ的逻辑资源数量，可以用所消耗的触
发器（ＦＦ）和查找表（ｕＪｌ’）来衡量。用设计所占用的等价逻辑门数来衡量所消耗的逻辑资源数量也是一种常见的衡量方式。“速度”是指设计在芯片上稳定运行时所能够达到的最高频率，这个频率由设计的时序状况决定，与设计满足的时钟周期、ＰＡＤ
Ｔｉｍｅ、ＣｌｏｃｋＳｅｔｕｐＴｉｍｅ、ＣｌｏｃｋＨｏｌｄＴｉｍｅ和ＣｌｃｏｃｋｔｏＯｕｔｐｕｔｔｏＰＡＤＤｅｌａｙ等众多时序特征量密切相关。面积（Ａｒｅａ）和速度（Ｓｐｅｅｄ）这两个指标贯穿着ＦＰＧＡ设计的始终，是设计质量评价的终极标准【１６】。
面积和速度是一对对立统一的矛盾体。要求一个设计同时具备设计面积最小，运行
频率最高是不现实的。科学的设计目标应该是在满足设计时序要求（包含对设计最高频率的要求）的前提下，占用最小的芯片面积，或者在规定的面积下，使设计的时序余量更大，频率更高。这两种目标充分体现了面积和速度的平衡思想。关于面积和速度的要求，我们不应该简单地理解为工程师水平的提高和设计完美型的追求，而应该认识到它们是和产品的质量和成本直接相关的。如果涉及的时序余量比较大，运行的频率比较高，则意味着设计的健壮性更强，整个系统的质量更有保证；另一方面，设计所消耗的面积更小，也意味着在单位芯片上实现的功能更多，需要的芯片数量更少，整个系统的成本也随之大幅度削减。
作为矛盾的两个方面，面积和速度的地位是不一样的。相比之下，满足时序，工作
频率的要求更重要一些，当两者冲突时，采用速度优先的准则【１７】。１２