針對近日技術(shù)交流群里討論的算法與RTL實(shí)現(xiàn)問題，寫篇文章，做一次總結(jié)。

微信公眾號《FPGA算法工程師》技術(shù)交流群里，交流氣氛十分熱烈，大家針對學(xué)習(xí)和工作中遇到的難點(diǎn)進(jìn)行交流和討論，可謂受益匪淺。

新手遇到的是新問題，對于有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的工程師而言，可能都遇到過。

作為算法、FPGA和IC等集中交流的平臺，群賢畢至，集思廣益，解決大家對相關(guān)知識和技術(shù)上的困惑，讓問題變得更簡單。

群友們提到一個很多人都會遇到的現(xiàn)實(shí)問題：

“把一個算法用RTL實(shí)現(xiàn)，有哪些比較科學(xué)的步驟？第一步干什么？第二步干什么？第三步干什么……？”

這個問題，對于FPGA、ASIC等邏輯電路設(shè)計(jì)人員來講，是非常重要的問題。

通常來講，我們做算法實(shí)現(xiàn)，需要有對標(biāo)的算法模型，作為驗(yàn)證硬件邏輯設(shè)計(jì)是否正確的參考依據(jù)。

我們首先要根據(jù)實(shí)際需求，針對某方面的信號處理問題，做一個鏈路級或模塊級快速仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)。最常見的比如通過MATLAB/C/C++等軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

軟件環(huán)境可以快速搭建仿真模型，并且進(jìn)行驗(yàn)證，為硬件RTL實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)。在具體算法設(shè)計(jì)時，必須考慮數(shù)據(jù)流的處理過程：數(shù)據(jù)從哪里來，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過哪些步驟處理，處理之后送到哪里。

接下來，我們需要將MATLAB、C++等算法模型由浮點(diǎn)轉(zhuǎn)為定點(diǎn)，這個工作可以做好之后再去做邏輯設(shè)計(jì)，也可以省略，但一定要清楚是如何定點(diǎn)的。

做好算法設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行性能評估，看是否符合預(yù)期要求，不符合則進(jìn)一步優(yōu)化，或者換一種設(shè)計(jì)方法。

在做邏輯實(shí)現(xiàn)之前，還有一個重要工作，就是對算法處理步驟進(jìn)行一步一步分解，解決如何從a到b再到c的過程，落實(shí)到加減乘除。

當(dāng)算法實(shí)際滿足要求后，則考慮邏輯實(shí)現(xiàn)的問題。

首先，建議采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，明確整個處理過程，需要執(zhí)行哪些功能，涉及哪些接口。

接下來，選芯片器件，評估資源占用情況，評估需要用多少乘法器，除法器，DSP，BRAM，GT等。

其次，評估處理時間要求，是否需要實(shí)時性處理，給予多少時間來處理，進(jìn)而評估所需時鐘頻率，以及是否需要存在多個時鐘域處理。

對于信號處理系統(tǒng)，有的需要實(shí)時處理，有的則不需要實(shí)時處理。最具挑戰(zhàn)的無疑是實(shí)時性要求高的通信、雷達(dá)和圖像等領(lǐng)域的信號處理問題。

首先解決信號處理中的算法問題，為實(shí)現(xiàn)某一處理過程，需要分哪些步驟，最終得到什么樣的結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理，邏輯電路該怎么去設(shè)計(jì)？

于是，算法問題既要研究如何處理數(shù)據(jù)流的問題，也要研究如何快速處理的問題。

電路實(shí)現(xiàn)時，則需要考慮資源消耗、并行處理結(jié)構(gòu)，流水處理和控制邏輯。

如果有處理速率要求，則需考慮并行+流水的處理方式，并考慮單時鐘下的數(shù)據(jù)位寬。

同時，務(wù)必明確數(shù)據(jù)流向，前后級接口，功能模塊內(nèi)部RTL邏輯處理，細(xì)化到每個時鐘應(yīng)該怎么處理，step by step。

以上都比較明確后，可以著手進(jìn)行RTL設(shè)計(jì)。RTL設(shè)計(jì)的核心，便是寄存器、RAM和FSM的靈活使用。其中，F(xiàn)SM占據(jù)了大部分功能。通常情況下，我們不只是操作純數(shù)據(jù)流，而是在各種控制信號和參數(shù)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時涉及各種FSM和選擇器設(shè)計(jì)，并注意是否需要進(jìn)行流控。

RTL代碼設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行TestBench平臺搭建和仿真驗(yàn)證是必要的，特別是對于復(fù)雜功能模塊或系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言。經(jīng)驗(yàn)再豐富的工程師，也不敢保證，不經(jīng)過仿真驗(yàn)證直接上板一定沒問題。

驗(yàn)證也是一門重要的技術(shù)，這也是為什么存在IC驗(yàn)證崗位，目的就是為芯片成功流片嚴(yán)格把關(guān)，一旦流片失敗，損失重大，影響深遠(yuǎn)。

FPGA的開發(fā)設(shè)計(jì)，同樣需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通常，我們可以通過算法鏈路產(chǎn)生所需激勵源，通過TestBench對功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行結(jié)果對比分析。重點(diǎn)解決兩個問題：

一是驗(yàn)證邏輯時序是否存在問題，比如信號是否對齊，有無接口處理不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等。

二是信號處理過程是否得當(dāng)，數(shù)據(jù)位寬、精度等是否符合算法要求。

解決功能性問題后，就需要考慮性能問題。定點(diǎn)是否合適，與浮點(diǎn)算法性能的差異有多大，或者軟件中的定點(diǎn)處理與邏輯電路定點(diǎn)處理，誤差有多大。在不斷驗(yàn)證過程中，優(yōu)化算法設(shè)計(jì)和邏輯電路設(shè)計(jì)。

剩下的邏輯綜合、實(shí)現(xiàn)、比特流生成和調(diào)試等環(huán)節(jié)，屬于常規(guī)操作，但對于邏輯綜合、實(shí)現(xiàn)中的時序約束和相關(guān)策略設(shè)置，也是十分重要的。

最后，用一張圖總結(jié)如何從算法到RTL實(shí)現(xiàn)。

本文只是粗略地分析了算法到RTL代碼實(shí)現(xiàn)之間的邏輯關(guān)系，以及從實(shí)現(xiàn)角度，我們應(yīng)該怎么去著手。

具體到某個信號處理算法實(shí)現(xiàn)時，必須清楚整個信號處理過程，對算法一步一步分解，再對信號流、定點(diǎn)和接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

做任何事情之前，先謀劃布局，磨刀不誤砍柴工，扎扎實(shí)實(shí)做好每一步，功到自然成。

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審核編輯 ：李倩