FPGA中实现信号延时的资源消耗

FPGA中实现信号延时的资源消耗

在FPGA设计中我们经常会遇到对一个信号进行延时的情况，一般只延时一个或几个CLK时，通常是直接打拍，如果要延时的CLK较多时，我们会选择移位寄存器IP核，而有时为了方便，我们常常会使用下面的方式

前段时间我临时对一个脉冲信号延时8192个CLK就使用了这种写法，当时有意识到可能会消耗较多的资源，但没想到会这么多。

不同方式实现延时的资源消耗对比

还是对一个脉冲信号延时8192个CLK，为了对比不同方式的资源消耗，我新建了一个工程

平台：Cyclone V

软件：Quartus 18.1 standard

对比了三种实现方式

计数8192个时钟，重新产生一个脉冲

移位寄存器IP核（Memory实现）

对该信号打8192拍（寄存器实现）

资源消耗情况如下图所示。

可以看到计数器消耗的资源是最少的，因为它相当于只存储一个bit的信息，不像其他两种方式把8192个时钟的信息都存储了，这算是一种取巧的方式，能应用的场合比较少。

打8192拍的方式使用资源最多，用了2032个ALM，ALM是Altera器件的最小逻辑单元，一个ALM包含4个寄存器。因为要打8192拍，所以可以看到这里消耗了8192个寄存器。实际上打拍并没有用到任何的组合逻辑（LUT），但是因为寄存器和LUT是绑定到ALM中的，所以一旦寄存器被消耗，同时LUT也很难应用到其他逻辑中。像这里，8192个寄存器需要2048个ALM（图中是2032），这2048个ALM中的LUT就被浪费掉了（我不是很确定，需要进一步研究，但是从资源消耗的情况来看，应当是这样的）。所以这种方式是最不经济的，除非要延时的时钟很少或者是调试代码，否则不建议总是采用这种方式。

移位寄存器IP消耗的资源相对比较适中，只使用了262个ALM，相当于是把ALM配置成了Memory，像是Xilinx器件中的SRL。实现时资源设置的是Auto，如果设置为M10K的话，是下面这样的。可以看到使用一个M10Ks的Block Memory，而ALM就只消耗了14个。实际设计时可根据芯片哪种资源余量更大选择哪种。

总结

从上面的实验可以看到，直接打拍的方式是非常浪费资源的，所以如果要延时的CLK较多，建议采用IP核的方式，在使用IP核方式时根据剩余资源选择合适的资源来实现。而在某些特殊情况，可以考虑采用计数器的方式来实现，这种方式消耗的资源最少，但是如果不是要延时特别多的CLK，则不建议，因为这种方式在时序变化时难以维护。

打拍延时是可以的，但是不要复位，像下面这样写，综合工具可以推断使用Memory来实现。经测试，这种写法与IP核的资源消耗是差不多的（还是会比ip多一点点），这样就可以很方便的实现信号delay了。xilinx的器件也是一样，不要复位。

这里综合后显示的是使用了一个M10K。还可以加上综合属性，强制使用MLAB实现。

如果一个系统里有很多这样没有复位的Memory的话，在复位系统时，需要将复位信号拉的长一点，保证复位过后的信号冲掉Memory中的残留数据，否则系统会有出错的风险。