FPGA基础知识（一）：FPGA的并行世界always/assign

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         本专栏专为FPGA新手打造的Xilinx平台入门指南。旨在手把手带你走通从代码、仿真、约束到生成比特流并烧录的全过程。

       本篇是该系列的第一篇内容

       下一篇：FPGA基础知识（二）：深入理解时钟与复位
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一 引言       

       在数字电路设计领域，FPGA（现场可编程门阵列）之所以能够实现惊人的性能突破，其核心奥秘就在于并行执行模式。这种模式彻底颠覆了传统处理器的顺序执行思维，为高性能计算打开了全新的大门。

二 顺序执行 vs 并行执行：根本性的思维转变

传统处理器（如CPU、MCU）的顺序执行模式：

• 指令逐条执行，形成指令流水线

• 共享计算资源（ALU、寄存器等）

• 依赖程序计数器控制执行流程

• 性能受限于时钟频率和指令级并行

FPGA的并行执行模式：

• 所有逻辑单元同时工作

• 每个功能都有专属的硬件资源

• 数据流驱动，无集中控制

• 性能与资源规模正相关

三  硬件描述语言中的并行性体现

在Verilog或VHDL中，这种并行性通过几种基本结构得以实现：

// 示例1：多个always块的并行执行
module parallel_example(
    input clk,
    input [7:0] data_in,
    output reg [7:0] result1,
    output reg [7:0] result2,
    output reg [7:0] result3
);

// 三个always块并行执行
always @(posedge clk) begin
    result1 <= data_in + 1;  // 流水线A：数据加1
end

always @(posedge clk) begin
    result2 <= data_in * 2;  // 流水线B：数据乘2
end

always @(posedge clk) begin
    result3 <= ~data_in;     // 流水线C：数据取反
end

endmodule

在这个例子中，三个处理操作在同一个时钟周期内同时完成，彼此之间没有任何依赖或等待。

四  并行架构的实际应用优势

1. 数据流处理的高效性

在图像处理、信号处理等应用中，FPGA可以构建真正的流水线架构：

// 图像处理流水线示例
module image_pipeline(
    input clk,
    input [23:0] pixel_in,
    output [23:0] pixel_out
);

reg [23:0] stage1, stage2, stage3;

// 三级处理流水线
always @(posedge clk) begin
    // 第一级：颜色空间转换
    stage1 <= rgb_to_grayscale(pixel_in);
    
    // 第二级：高斯滤波
    stage2 <= gaussian_filter(stage1);
    
    // 第三级：边缘检测
    stage3 <= edge_detect(stage2);
end

assign pixel_out = stage3;

endmodule

每个像素在每个时钟周期都会流经整个处理链，实现极高的吞吐量。

2. 多通道并行处理

FPGA可以轻松实现多个相同处理单元的并行工作：

// 8通道并行FIR滤波器
module multi_channel_fir(
    input clk,
    input [7:0][15:0] channels_in,
    output [7:0][15:0] channels_out
);

genvar i;
generate
    for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin : channel_gen
        fir_filter #(.COEFFS('{1,2,3,2,1})) 
        fir_inst (
            .clk(clk),
            .data_in(channels_in[i]),
            .data_out(channels_out[i])
        );
    end
endgenerate

endmodule

五 并行设计的挑战与考量

1. 资源权衡

• 更多并行单元 → 更高性能

• 更多并行单元 → 更大资源消耗

• 需要在性能与资源间找到平衡点

2. 时序收敛

• 并行路径必须满足时序约束

• 关键路径决定最大工作频率

• 需要合理的流水线设计

3. 数据同步

• 并行单元间的数据交换需要同步机制

• 跨时钟域处理需要特殊设计

• 避免竞争条件和数据冲突

六  实际应用场景分析

案例：实时视频处理系统

• 1080p@60fps视频流：每帧约200万像素

• 处理要求：色彩转换、降噪、锐化、目标识别

• FPGA方案：四级流水线 + 四个并行处理引擎

• 性能结果：处理延迟 < 1ms，完全实时

相比之下，同等成本的CPU方案难以满足实时性要求。

七  最佳实践指南

1. 模块化设计：将系统分解为独立的并行单元

2. 合理流水：通过流水线提高时序性能

3. 资源复用：在资源紧张时适时复用硬件

4. 接口标准化：使用标准接口（如AXI-Stream）连接模块

总结

FPGA的并行执行模式不仅是技术特性，更是一种设计哲学的革新。它让工程师能够：

• 用空间换时间，突破频率瓶颈

• 为特定应用定制最优架构

• 在功耗、性能、成本间找到最佳平衡

       掌握并行设计思维，是释放FPGA真正潜力的关键。随着人工智能、5G通信、自动驾驶等领域的快速发展，这种能够提供确定性和高效率的并行处理能力，正变得越来越重要。