FPGA从入门到精通(7)-DSP48E1（理论篇）

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我是靠谱客的博主着急大山，最近开发中收集的这篇文章主要介绍FPGA从入门到精通(7)-DSP48E1（理论篇），觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

所使用EDA软件：VIVADO2018.3

FPGA型号：xc7a35tcsg325-2

DSP48E1的内容比较多，但是我们实际运用它的时候不会去刻意的去调动它的原语。所以对于DSP48E1，我们只需要知道它内部的基本架构，能实现哪些具体的功能，以及它级联后的作用即可。在实际的编码过程中，合理充分的利用DSP48E1不仅可以节约不少CLB资源，还能提高整个FPGA系统的性能。

学习完本章你将会收获以下内容：

了解DSP48E1的内部大概的结构，知道里面每个模块的作用。
了解乘法、乘加、累加（计数）等计算功能在DSP48E1实现的路径。

首先我们来看一下DSP48E1的结构简图(图1)，对其结构有一个初步的认识。

寄存器，相信大家都很熟悉。在DSP48E1中它主要是用来做流水线操作，来提高DSP48E1整体的运行性能。
框1是一个预加器（加法器），它主要实现的是A（最大位宽30）与D（最大位宽是25）的相加，做预加的话它输出的结果最大位宽为25，该预加器不用的时候可以旁路掉。
框2是一个25x18乘法器，它的两个乘数分别为B（最大位宽18位），以及A与D相加后结果的低25位，输出的结果为48（高5位是符号拓展位，低43位是数据位），该乘法器不用的时候可以旁路掉。
框3是一个的功能比较多。它能做加（减）法器，累加(减)法器，逻辑运算（与或非），它的输出最大位宽为48位数据位+4位进位。
框4是一个模式探测器，它的主要实现带掩膜的数据比较，上下溢出检测，计到一定数对结果进行重置功能。
框5是一个数据选择器，它的两个数据输入端分别为C和P（最大位宽48），因此DSP48E1做普通加法还是做累加就取决于它了。当然真实的DSP48E1里面有很多数据选择器，它们与DSP48E1所实现的功能密切相关。

看了我上面写了那么一堆，是不是一头雾水？很正常，因为几十页的的DSP48E1的USER GUIDE 被我强行压缩成这几点。啊哈哈哈哈，开个玩笑。其实，上面那些内容是我一个多月前写的，写着写着我就觉得超级不对劲，如果我一整篇文章都拿来介绍DSP内部的详细架构以及相关信号的话（图2）。最后无异于将DSP48E1 的USER GUIDE（UG479）的内容硬搬过来，将会十分枯燥，看不下去，说不定评论区还会骂声一片。

所以我我苦思冥想一个多月（其实是疯狂加班一个多月/(ㄒoㄒ)/~~），终于想出了一个即形象生动，又能让客官大老爷们深入了解DSP48E1的方法。那叫是通过讲解DSP48E1 Marco这个神奇的IP（图3，直接在IP Catalog中搜索就有），再结合具有代表性的实例，一步步的去挖掘DSP48E1中的内容。

前面较为复杂的内容没看懂，没关系。但一定一定要知道图1中A、B、C、D、P所对应的端口！！！知道哪些是输入，哪些是输出，哪些是连加法器，哪些是连乘法器的，这是看懂后面内容的基础。

搞清楚A、B、C、D、P所对应的端口的关系后我们还得知道他们位宽限制。如果在没有意识的情况下多用那么几位，最后可能就会导致DSP48E1资源的浪费。举个例子，乘法因子在精度允许的范围内可选20-30位，你用25位最后只用了1个DSP48E1，但如果你用了30位最后就用到2个DSP48E1，使得多出来的DSP48E1利用率低下，造成浪费。在DSP48E1 Marco的IP core中，当我们在Instruction中输好表达式后(图4)，即可到Implements中看相应输入输出位宽的限制（图5）。注意：图5中的CONCAT是将预加器旁路，将A和B拼起来所组成组成一个48位的数，所以使用CONCAT的时候，A、B、D是无效的。

接下来我们使用DSP48E1 Marco 这个IP来看几个较为经典的表达式样例以及它的路径。这里流水线我们将他设为自动，让IP 生成工具自动给我们插寄存器就好。当然如果你的数据是跨时钟输入的，你可以选择使用DSP内部的寄存器来减少CLB中寄存器的使用。如果对延迟比较敏感的情况，还可以适当减少寄存器的使用，但是一定要确保每条相关路径上的寄存器数保持一致。

样例1，与累加器相关：P<=C+P(图6)

C输入后打了3拍与 P相加，相加的结果打1拍再输出到P。

样例2，与预加，乘法，加法相关：P= (A+D)*B+C (图7)

A、D打1拍后进行相加，相加后的结果打1拍与B打2拍的结果相乘。相乘后的结果再与C打3拍后的结果相加，相加的结果打1拍再输出到P。

哈哈哈哈，写到这里发现样例1，和样例2是最为经典的两例了，没啥再好说的了。再补充一下用DSP做加法/减法与CLB做加减法的区别吧。

如果用CLB做加减法（图8），如前面与进位链相关的章节讲到，最低位的进位CIN必须设为1/0。

但当用DSP48E1做加减法时（图9），当我们把ALUMODE[1:0]设置为2’00时，Y设为0时我们可以做加法A+B。当我们把ALUMODE[1:0]设置为2’01时，Y设为1时我们可以做减法A-B。此时CIN可以单独拿出来使用，不必强制设为0/1（当然我们也可以用CIN来代替Y的作用）。

此外一个DSP48E1除了能做1个48位与48位加法/减法/逻辑操作（ONE48），还能被用来做2个24位与24位加法(TWO24)，4个12位与12位加法(FOUR12，如图10所示)。这些加法的结果都是带进位的，对应的进位关系如图11所示。

举个例子：我们可以将A:B拼成48位的CONCAT，与48位的C作为三输入就可以做4个12位与12位的加法/减法/逻辑操作。当然这里的CONCAT、C切成4等份。[47:36],[35:24],[23,12],[11,0]。

当ONE48时，CARRYOUY[3] 为相应的进位结果。

当ONE24时，CARRYOUY[3] 、CARRYOUY[1] 为相应的进位结果。

当ONE12时，CARRYOUY[3] 、CARRYOUY[2] 、CARRYOUY[1] 、CARRYOUY[0]为相应的进位结果。

最后DSP48E1的PATTERN DETECT还是很值的一提的。它的结构如（图12）所示。

它的输入主要为PATTERN ，MASK，DATA（经常用的PATTERN和MASK我已经用红框给圈起来了）。DATA为进行DSP48E1运算后未打拍的结果。当我们使用PATTERN DETECT的时候输出要打一拍，这样PATTERNDECT和PATTERNBDECTECT的结果才能和输出P对的上。

PATTERN 是用来匹配的样式。当DATA与PATTERN 相同的时候，PATTERNDECT为1，否则为0。当DATA与PATTERN 的反码相同时，PATTENBDETECT为1，否则为0。PATTERN可以由DSP48E1的C打拍后作为输入，也可以选择“参数PATTERN”作为输入（这里的“参数PATTERN” 为PATTERN的其中一个可选输入，注意区分两者关系）。
MASK 是掩模，是上下溢出探测最为关键参数。它对应的DATA的每一位。MASK[0] ->DATA[0]...MASK[47] ->DATA[47]。当将MASK的某一位设为1时，它将忽略PATTERN对应位的结果，再将DATA和PATTERN进行比较。MASK可以由DSP48E1的C打拍后作为输入，也可以选择“参数MASK”作为输入，（这里的“参数MASK” 为MASK的其中一个可选输入，注意区分两者关系）。
PATTERNBDECTPAST和PATTERNDECTPAST 分别为PATTERNBDECT和PATTERNDECT打一拍的输出结果。

为什么说MASK是上下溢出最为关键的参数呢？我们看一下PATTERN DETECT上下溢出检测的逻辑结构（图13）。很显然overflow是用来检测PATTERNDECT的下降沿的，underflow是用来检测PATTERNBDECT的下降沿的。

当MASK={44'b0,4'b1111} ，当DATA>5'b01111(15)时就会上溢出，当DATA<5'b10000(-16)就会产生下溢出。

因为overflow的实质就是检测DATA的高44位(符号拓展位)是不是为全0，15+1=16(5'b10000)，高44位就不为全0啦，上溢出。
underflow的实质就是检测DATA的高44位(符号拓展位)是不是全1（因为PATTERNBDECT检测的是反码哦，所以检测的是1），-16-1=-17（6'b101111），高44位不为全1，下溢出。

好的，DSP48E1理论相关的东西写到这里就差不多了。但是很多东西都是实践中才能有更多的体会，所以在下个章节我会举些相应例子来让大家体会下使用DSP48E1来优化我们的资源。(⊙﹏⊙)最近没啥灵感，级联什么的也拖到下一章再写吧。