在各类行业与应用中，经常能看到许多 FPGA 设计。一个非常常见的现象是：设计者常常用复杂的有限状态机（FSM）来实现 I²C、SPI、GPIO 时序控制等功能。
然而，随着功能不断扩展，这些 FSM 往往会变得十分庞大、难以维护，大大增加了系统上板调试与验证的难度。而且，这些 FSM 不仅要经过仿真验证，上板后还要再次验证——耗时、费力，也不够灵活。
当我在 FPGA 中实现这类接口时，我的常用方法是直接用 MicroBlaze V 来替代复杂 FSM。通过加入一个轻量级软核处理器，我可以用简单的 C 程序来完成控制功能。这让整个逻辑变得更灵活、更直观，也更容易修改，尤其是在项目末期不可避免的“最后一分钟更改”发生时，这种方式能显著降低风险。
可能有人会担心：加入 MicroBlaze V 会不会导致资源暴增？
事实上，MicroBlaze V 的可配置性非常高，可以根据应用需求高度裁剪资源，从而大幅减小占用。
这篇文章便是希望深入探讨：MicroBlaze V 的配置选项，以及它们对资源占用的影响。
MicroBlaze V 架构选项：不同流水线级数
MicroBlaze V 基于 RISC-V RV32 架构，但它不仅可配置外设与接口，还可以选择指令集扩展，以及处理器内部架构，比如流水线深度。
Vivado 中 MicroBlaze V 的架构配置主要体现在流水线级数：
Area（面积） 配置：3 级流水线 —— 资源最小化
Throughput（吞吐量） 配置：4 级流水线 —— 注重运算吞吐率
Performance（性能） 配置：5 级流水线 —— 面向高性能
Frequency（频率） 配置：8 级流水线 —— 优化最高运行频率
需要注意的是，如果程序运行在延迟较高的外部存储上（如 DDR），指令获取可能超过一个周期，因此存储层级与紧耦合缓存（Tightly Coupled Memory/Cache）至关重要。关于缓存配置，我会在下一篇文章中详细讨论。
MicroBlaze V 的 ISA 可选扩展
MicroBlaze V 支持启用多种可选 RISC-V 扩展，每一种都会影响面积、性能与灵活性：
1. Code Compression (C)-代码压缩（C 扩展）
32 位指令替换为 16 位短指令
程序体积可减少 25–35%
几乎无性能损失
硬件只需极少资源，非常划算
2. Integer Multiplier (M)-整数乘法/除法（M 扩展）
加速涉及乘除法的运算
会使用一定数量的 FPGA DSP 资源
3. Floating Point (F)-浮点单精度（F 扩展）
提供硬件浮点运算
性能显著提升
资源消耗大幅上升（LUT/FF）
4. Atomic Operations (A)-原子操作（A 扩展）
实现原子读-改-写指令
适用于 RTOS、多线程、锁机制
逻辑开销较小
5. Bit Manipulation (Zba/Zbb/Zbc/Zbs) -位操作扩展（Zba/Zbb/Zbc/Zbs）
加速移位、旋转、位计数、提取等操作
对加密、DSP 类应用非常有价值
启用更多扩展意味着更多资源占用，因此我对不同配置进行了综合与实现，对比资源消耗情况。
MicroBlaze V 综合结果（部分）
以下为四种流水线配置下，主要 ISA 组合的 LUT、FF、BRAM、DSP 使用情况。从结果中可以看出一些趋势：
Area（资源占用）
配置 | LUT | FF | BRAM | DSP |
|---|---|---|---|---|
| RV32I | 823 | 449 | 8 | 0 |
| RV32IC | 1033 | 488 | 8 | 0 |
| RV32IM | 1130 | 581 | 8 | 4 |
| RV32IMF | 3855 | 1698 | 8 | 6 |
| RV32ICMF | 4095 | 1737 | 8 | 6 |
Throughput（吞吐）
配置 | LUT | FF | BRAM | DSP |
|---|---|---|---|---|
| RV32I | 1200 | 547 | 8 | 0 |
| RV32IC | 1247 | 587 | 8 | 0 |
| RV32IM | 1577 | 684 | 8 | 4 |
| RV32IMF | 4044 | 1814 | 8 | 6 |
| RV32ICMF | 4243 | 1854 | 8 | 6 |
Performance（性能）
配置 | LUT | FF | BRAM | DSP |
|---|---|---|---|---|
| RV32I | 1235 | 631 | 8 | 0 |
| RV32IC | 1208 | 671 | 8 | 0 |
| RV32IM | 1304 | 768 | 8 | 4 |
| RV32IMF | 4012 | 1906 | 8 | 6 |
| RV32ICMF | 4229 | 1946 | 8 | 6 |
Frequency（频率）
配置 | LUT | FF | BRAM | DSP |
|---|---|---|---|---|
| RV32I | 1762 | 1252 | 8 | 0 |
| RV32IC | 1713 | 1315 | 8 | 0 |
| RV32IM | 1956 | 1448 | 8 | 4 |
| RV32IMF | 4685 | 2780 | 8 | 6 |
| RV32ICMF | 4949 | 2846 | 8 | 6 |
从表格和图表中可以看出：
最小的 RV32I 资源占用最小
不含压缩、乘法、浮点等扩展
非常适合替代中小型 FSM
M 扩展导致资源中等增加
LUT/FF 有一定增加
DSP 消耗增加（乘法器）
F 扩展导致资源大幅增长
因 FPU（浮点单元）需要大量逻辑
C 扩展几乎“免费”
硬件增加极小
但显著减少代码体积与 BRAM 使用
强烈推荐启用
ICMF（全功能）组合资源最多
但相比其他 CPU，要实现同等功能仍相当划算
资源增长趋势（相对于 RV32I）
变体 | ΔLUT | ΔFF |
|---|---|---|
| RV32IM | +37% | +29% |
| RV32IMF | +368% | +278% |
| RV32IC | +26% | +9% |
| RV32ICMF | +398% | +287% |
可见：
C 扩展最划算，建议几乎所有项目都开启
F 扩展才是资源暴增的主要来源
M 扩展非常值得开启，只需少量 DSP
不同应用的最佳配置建议
结合资源、性能与实测数据，可给出常见设计的推荐选项：
● RV32IM（Throughput吞吐量）
极佳的平衡性——约 1.5K 个 LUT，4 个 DSP
适合需要少量算术与可靠吞吐的驱动型任务
● RV32IMF（Performance性能）
计算密集型 — 4012 个查找表，6 个数字信号处理器
高性能、高算力需求
示例：浮点运算、控制算法
● RV32IC
如果工作负载仅涉及整数运算且内存带宽受限，则它是最具成本效益的选择。
对 BRAM 敏感的设计优先考虑
● RV32ICMF（Area面积）
适用于复杂系统控制
指令压缩提高程序密度
总结：MicroBlaze V 是 FSM 的更现代、更灵活的替代方案
在 FPGA 设计中，使用 MicroBlaze V 替代复杂 FSM，能够：
大幅降低 RTL 复杂度
提高可维护性
加快调试效率
在资源可控的前提下，获得极高的灵活性与扩展性
在最小配置下，MicroBlaze V 的资源占用非常小，却能轻松实现许多 FSM 很难维护的复杂功能。
对于需要快速适配变化、软件可扩展性高、逻辑较复杂的控制任务，MicroBlaze V 无疑是更先进、更高效的选择。
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