研究生期间做项目所学到的一些经验

 

    本文主要分享研究生期间所学到的一些科研和项目经验，实践部分偏重于硬件电路。点滴琐碎，还请见谅。

 

一  项目所得

 1.1 心得体会

• 任何事物都要从最简单、最基本的构架入手，理解复杂的。——接触学习新东西时的指导思路。
• 做理论要做做想想，边停边走；做工程则要不断推进，因为不做不出来。工程就是靠时间堆出来的，不在于谁比谁聪明多少，而在于谁比谁用功了多少。
• 做工程思路：不要挑刺钻牛角尖，能用就行。要实用主义而不是理想主义，忌追求完美(比如正确解调需要信噪比至少10dB，则前端的同步就无须追求在5dB下性能最佳)！该细则细，该粗则粗。不要死抠理论，太专注细节往往看不到整体(又如同步性能设计再好，解调不出正确数据也是白搭，还不如多分配些时间精力给解调模块)。
• 不是做大项目就能学到东西的。恰恰相反，因为难以吃透大项目，所以只能按照别人的现有思路走，导致思维固化。而做小东西更具灵活性，可以充分发挥自己的想象力，寻求多种解决途径。外面做了几年大项目的人拿到新项目时，仍会感到无从下手；而老师接到新项目后，能立刻在脑海里构建出各个功能模块(“庖丁解牛”)，原因即在此。
• 不要着急，一步一步来，别指望一口吃成胖子。很多时候工程做到一定程度了才能发现问题。你要做的就是通过项目学到能力，没必要尽善尽美，说实话项目本身对你今后的工作帮助不大。
• 自己的核心设计往往只占工程的很小一部分，大部分工作在于工程的集成。
• 把项目当成学习的好机会，而不是负担，才能有激情。
• 保留自己的想法，接受并尝试老师的想法而不是固守自己的方案——记住你是在“学习”，不是在“打工”！多向老师学习系统观和做事方法。老师的工程经验很丰富，整体化的系统思维值得认真学习借鉴。不要怕和老师讨论。伸手向老师要，老师才会给你。

• 请教老师前先说说自己的尝试方案，因为老师有经验一看便知如何入手；请教师兄们时则保留自己的方案，因为容易限制师兄们的思路。
• 不讨论、不提问、不向老师同学请教学习，即使做出东西又有何用？你只是发挥了自己的水平而已，能力并未得到提高！按自己的思维而不是借鉴别人的好想法做工程，只是交差，能力得不到提高！

• 工作后技术可以是二流的，但做人应该是一流的。
• 工程有忙有闲。忙的时候能忙得上，闲的时候能闲下来。一味地忙或闲都不好。
• 不要屡教不改，总犯同样的问题！
• 不要太专注所做东西本身，而更要体会做事的过程。 

1.2 设计实践

• 数电思路 + 参考相关芯片设计
• 不要想着先做出来再说——应该先讨论确定方案。随时向老师汇报，排除系统原理结构上的设计失误！策略性问题及时与老师讨论，公式推导、器件操作等可自己验证的则自行搞定。
• 必须跳出自己的思维约束，把握整体构架，确定整体思路后再着手实现。最好先画出波形图，至少要有关键信号的时序关系。着手写程序时可以先写出大体框架，然后完成和完善子模块。
• 设计时问一问自己：是否从工程的思维入手？体会老师设计的控制模块的优点(先定整体时序，便于调试)。
• 对照Matlab理论波形与示波器实际波形。不要满足于软件仿真“正确”，要放到实践中测试！类似地，电源等电器件不要直接拿来用，要实测一下电压值。
• 设计要具有一定的通用性和灵活性，如便于扩充或调试。

         模块通用性：基本思想是做通用可扩展、特定功能的小“模块”，而不要在后续阶段为加入功能而添加代码。

         模块就是你给我输入，我给你想要的输出，仅此而已，尽可能不要让我进行控制。

         模块化，减少耦合度，便于移植和调试。尽量模块化，可避免大的改动。

• 在阅读别人的程序时，遇到不确定有无的地方，不要冒然删减，应深入思考其存在的理由，深入画图分析(也利于别人理解和答辩申明)。
• 在不了解系统全局的情况下，先摸索后看手册(前提是避免危险的操作)。在摸索尝试中理解，切莫一开始就拿起手册从头看。先尝试各种可能来解决问题，不要轻易下结论！做完后再回过来理解，不要“轻信”资料。比如调时AD开发板时，与其研究透彻每个寄存器怎么设置后再着手调，不如边调边试。同样地，对于别人的东西既要吸收，又要质疑。不要因为那是别人做好的就认为OK了，实际上可能有很严重的设计缺陷。

• 利用别人的力量做出来才是水平。当你看到别人的东西并很快领悟为自己的东西才是水平。先模仿后发展。多向别人请教想法！尽量不要问具体问题，问思路才最重要。
• “反驳激将法”获取别人的想法，集思广益。多征求想法，记在纸上。即使现在想法不成熟，以后也可能有用。外行也能提出新想法新思路。因为我们的设计都是面向实际生活的，外行可能更清楚实际需要怎么做——当局者迷，旁观者清。比如我在用4点采样做同步，而数据却是8点采样，还煞有介事地试图找到精确的同步位置。假如说给搞图像处理的人听，人家的第一反应就是“这不可能”，因为同步“分辨率”不够。后来才在老师的启发下改用两个同步模块解决了问题。
• 思路灵活。做时定式，想时无定式。不要一根筋走到底，要考虑变通的方法。比如同步相关模块之前用定制的元件altshift_tags，tap distance>=3，不得不进行时钟三分频。原先的想法是用时钟来换取LE的减少(假设定制元件比自己编写的节省资源——其实未必，考虑“通用性”)，后来发现时钟远比LE重要。所以自己编写了移存器模块，可以实现清零复位，tap distance等效为1，免去了时钟三分频。

        【注】自己编写的三分频模块在Modelsim里会仿真出什么结果呢？比如clk_sn由75M时钟clk_sf三分频产生，那么仿真出来的clk_sn为42ns的时钟，而不是40ns(25M)——因为你所加的75M时钟仿真激励不可能很精确(13.333...ns)！ 

1.3 论文

• 每节开门见山，不要啰嗦。每章前面有摘要，后面有小结，承上启下，既有条理又凑够字数。
• 仿真要多，尽量多参数，反复仿多个，得出结论！仿真分析等尽量用1、2、3....条理化。
• 图表要多，摘要绪论及结束语一定要写好，评审老师哪有工夫看理论。
• 论文侧重理论。理论上下功夫的论文容易通过(“新名词”多)。许多评委都是理论出身，容易接受理论文章，故起评分高。偏工程类的论文除工程实现还必须要做理论部分，否则答辩时评委要问你除了“实现”还有什么创新点呢？你的工作量(工程)人家不一定认可啊。
• 将数据导出来在Matlab中观察(如画图)往往能发现新问题甚至新思路。

         - 把FPGA仿真结果数据导入Matlab中，画出Matlab理论曲线与FPGA仿真曲线比较(大数据量)

         - 提出一种想法后务必画出理论比较曲线(有比较才有说服力)，过多的解释说明倒不如图表直观。

         - 设计验证机制

• 不要写得太细，给评委提问的余地(大的方面让评委觉得你水平挺高，思路清晰，有创新性；从细处一想又有不清楚处)——否则评委可能会问预料之外的问题！ 

1.4 其他

     勤写报告：1. 保持进度； 2. 用于提问讨论； 3.论文素材。

     三种报告：

     1) 给老师的报告：综合、轮廓、整体思路——图表化

     2) 给自己的报告：设计算法、心得经验、调试细节

     3) 给接收人的报告：系统、思路、如何实现及该做哪些工作，便于迅速上手。

     以后发挥自己的能动性，每天向老师汇报进度——不是做了多少(太“虚”)，而是具体完成了什么！

     计划、讨论、汇报，讲给老师听。

     有问题一定写文档问老师，不要想着口头说——这其实减少了仔细思考的过程。

 

二  测试调试

2.1 调试信念

     不合理的现象背后，一定有合理的原因。只有抱定这一信念，才能解决调试中遇到的各种问题。与此相反的是：遇到不合理的现象，不是去寻求合理的解释，而是猜想有一些不可控、不可证明的原因。比如猜想综合工具有bug，电路的信号完整性有问题，芯片过热等。这样一想，问题往往不了了之，调试也就半途而废了。

     遇到问题首先思考什么情况下会产生此类问题，寻求可能原因，而不是怀疑软/硬件工具有问题。 

2.2 调试原则

• “遇到拦路虎一定要把它解决掉，否则日后碰到它你会更发怵”。不要回避问题，躲得过初一躲不过十五，迟早是要面对的——与其推倒重来，不如在初期就多加讨论解决！
• 从最简单的开始调试，先确定哪些模块正确，哪些有问题，而不是整个工程拿来跑，期望某次会“碰巧”正确(寻找问题所在，而不是回避问题)。
• 按规程走，不要寄托于修改“好”的工程以求毕其功于一役。
• 看起来最简单最不会出错的地方才最容易出错，反而复杂程序却很少出致命问题！
• 最基本的“常识”——不工作时各个寄存器(尤其是使能信号和计数器)都要复位！ 

2.3 调试技巧

• “隔离”(回路之间加入不同的延迟单元，测试时序是否满足)、“直通”(模块直连，如调制数据直接送往解调模块——bypass同步)。
• 设计时就应该写好测试比较模块。一是软件比较，如Quartus II仿真结果与Matlab理论结果比较，或Modelsim结果(testbench)输出至Matlab中与理论结果画图比较。二是硬件比较，如可把待调制数据写入FIFO，当解调数据输出时同时读该FIFO并进行比较，如果对应位不同则输出ERROR高电平(此法也可用来判断两个模块是否实现完全相同的功能)。后者在上板子后可用逻辑分析仪捕捉ERROR信号(触发)，注意“Trigger”|“Trigger position”项选择“Post trigger position”，这样可以捕捉到出错前的信号。
• 高效率：多建工程备份(面积换速度)，这样可以立刻调试正确版本。
• 将已经基本调试成功的工程备份至另外的目录，并且每个工程属性改为“只读”，防止无意中误操作修改了正确版本。——保留备份！
• 当前正确工程备份后，在此基础上逐步添加新模块。
• 及时给程序加注释，便于理解；及时写调试文档，重点记录错误点，避免重犯(还有一种情况就是后面想到某个曾被部分否定的方法，却不知道哪里需要注意)。
• 将中间结果尤其是关键信号的波形截图保存在word中，可以方便对照！
• 逐个模块调试，Modelsim大数据量仿真(尤其注意两段数据之间的使能信号及计数器的状态)，示波器观察波形(周期，相位...尤其注意不要出现长时间的直流或跳变)。找到出错的地方，看其与哪些变量直接相关，然后由出错位置出发，观察这些变量甚至它们的相关变量，逆向一步步寻找出错原因。
• 用已知在别人机器上正确的工程去检验自己的软件环境，而不是从头新建工程trial and error！
• 先从最简单的功能，最简单的数据(如方波)做起。先测试最基本的信号(如时钟)。输入特殊值观察规律。
• 若某个reg信号在仿真时波形不正常，可试着将其设为输出output(改变布线)重新仿真。
• 合理地使用拼接符可以提高程序的可读性和可维护性。使用拼接可以把多个信号的某些位拼接起来进行运算操作。它使用简单，方便阅读，感觉不错。特别对应物理实现时就是将相关的位线对应连接起来即可，物理实现比较简单。 

2.4 易错处

• 仿真输入数据有误或不合理。
• 仿真时序有问题，包括时钟周期、时钟相位对齐、时钟与使能信号及其指示的输入/输出之间的位置关系等等。
• 变量位宽不够，导致溢出。类似的还有FIFO存储空间设置过小。
• v文件中参数值修改后，对应的bdf文件中符号参数值却未改变。
• 例化模块时经常位置、端口关联混用，导致出错。
• …… 

2.5 特别注意

• 仿真时特别注意时钟，有没有加时钟或给时钟脉冲，或者时钟周期是否是预期的(这点上的粗心往往导致仿真“不正确”)。
• Modelsim仿真时，所有的寄存器必须有清零/复位处理(如Clr)，否则默认值为不定态(Quartus中默认值为0)。
• 将上级模块的输出波形复制作为下级模块的输入时，要特别注意数据是否正确复制，以及与时钟的相对位置是否可靠，大数据量的复制往往可能产生波形“失真”。
• 编译时把Message框拉开，观察warning，往往会发现程序中的一些小疏漏，及时停止编译，可节省大量时间。
• if判断语句必须注意判断表达式变量的起始值(复位)！所有使能/指示信号必须保证起始端符合要求！
• 先保证时序，后保证数据！时序错了，数据对了结果也是错的；数据错了但时序正确，调整时序即可。时序仿真结果不正确，除了怀疑不满足tsu时序要求外，还应注意输入数据是否正确无误！如果仿真结果不合乎要求，应对波形数据进行分析，往往会找到问题所在，不要盲目地修改程序，要知道编译比仿真更费时。分析数据时要首尾兼顾，还应注意数据对齐关系----往往这个影响内部计数器的工作，从而导致结果出错。除了比较数据外，还要确保数据长度正确无误。
• 接口规范：if...else配套，begin...end对齐，不要追求“新颖”的风格，要便于和别人程序对接。模块编译成功后生成直观的原理图符号.bdf文件，便于修改管理和交流。

 

三  其他

3.1 FPGA基本设计流程

     1) 设计目标分析

     主要确定芯片应当完成哪些基本功能，以及分析未来可能要增加的功能。注意选择器件时要留有足够的设计余量，以保证今后升级时单板不会因此而修改。

     2) 功能模块划分

     让设计层次分明条理清晰。另外在确定功能模块划分过程中，能使设计者在总体上考虑芯片的各个问题，发现一些比较深层次的问题。

     3) 确定关键电路时序和模块间接口时序(总体方案)

     事实上，在功能模块划分过程中就必须考虑时序方面的问题。有时，在确定设计目标时就得考虑关键电路时序。

     在此前的设计过程中，我们是将项目设计进行功能分解之后，立刻着手子模块具体电路设计，最后再进行系统联调，出现问题了再去更改设计。这是在凑电路，而不是在设计电路。

     设计电路，尤其是数字电路，最关键的一环就是：设计各模块间的接口时序，确定关键电路的时序。在做总体方案时，应深入到模块间的时序划分，关键电路的时序确定，并以此作为指导来进行设计。

     “时序是事先设计出来的，而不是事后测出来的，更不是凑出来的。”

     4) 具体电路设计(并写出详细设计文档)

     在进行模块设计时，应先画出每个模块的原理结构，而后画出其工作原理时序图，在工作原理时序图的指导下进行具体电路设计。即“先时序后电路”的设计方法。在条件允许范围内，尽量用集成度高的电路语言直接表述。

     设计流程：明确模块的原理功能-->画出时序图-->(映射为逻辑电路)-->用硬件语言描述时序图(或电路映射图)——先时序后电路！

     5) 调试验证(仿真测试方案)

     设计时就应该做好测试验证机制。我们目前所采用的验证机制为“隔离”(回路之间加入不同的延迟单元，测试时序是否满足)、“直通”(模块直连，如调制数据直接送往解调模块——bypass同步)。示意图如下：

     其中延迟单元Delay Unit结构如下：

 

3.2 同步电路的设计规则(仅供参考)

• 尽可能在整个设计中只使用一个主时钟，同时只使用同一个时钟沿。主时钟走全局时钟网络。
• 在FPGA设计中，推荐所有输入输出信号均应通过寄存器寄存，寄存器接口当作异步接口考虑。
• 当全部电路不能用同步电路思想设计时(即需要多个时钟来实现)，则可以将全部电路分成若干局部同步电路。尽量以同一个时钟为一个模块，局部同步电路之间接口当作异步接口考虑。
• 当必须采用多个时钟设计时，每个时钟信号的时钟偏差要严格控制。
• 电路的实际最高工作频率不应大于理论最高工作频率，留有设计余量保证芯片可靠工作。
• 电路中所有寄存器、状态机在单板上电复位时，应处在一个已知的状态。

     由于时钟建立-保持时间的限制，FPGA设计中应尽量避免采用多时钟网络，或尽量减少时钟的个数。尽量避免采用多个时钟，多使用触发器的使能端来解决。

     为了避免异步的时钟域产生错误的采样电平，一般使用RAM、FIFO存储的方法完成异步时钟域的数据转换，在输入端口使用上一级时钟写数据，在输出端口使用本级时钟来读数据，能够非常方便地完成异步时钟域之间的数据交换。

     处理速度与面积问题的原则：向关键路径部分要时间，向非关键路径部分要面积。为了获得更高的速度，应当尽量减少关键路径上的逻辑级数；为了获得更小的面积，应当尽量共享已有的逻辑电路。

     以寄存器为边界划分工作模块。在设计较大规模的电路时，分模块设计是必不可少的，在各模块通过之后再进行系统的联调。但由于在单模块调试和联调时布线资源的占用紧张程度不同，使得每个模块的输出无法保持与单独布线时相同，在联调时造成困难。如果每一个模块的输出端口都采用寄存器输出，那么即使在整体布局布线后，各模块的输出依然可以保证原来的时序，这使得联调的工作效率大大提高。加入这些寄存器也使得电路的可测性有所提高。 

3.3 Quartus功能仿真流程

     1) 将HDL文件或bdf文件设为顶层

     2) Processing | Start | Start Analysis & Synthesis及Start Fitter生成post-fitting节点

     3) 建立vwf波形文件加入节点和激励

     4) Simulation Tool | Functional | Generate Functional Simulation Netlist | Start

     修改v文件后再次仿真时，只需要Generate Functional Simulation Netlist即可。而生成网表后，除重新编译源文件外，每次修改.vwf波形后都不必重新生成网表。

     功能仿真时不计入器件延时，但经过寄存器后必产生一个周期的“延时”，这不同于器件延时，因为它本质上与时钟节拍相关，并非器件或布线固有延时。

     Quartus仿真时最好让CLK有效沿采到输入数据的中间(稳定)，这样无论Functional还是Timing仿真，都不会出现采样问题。如果输入数据在CLK有效沿变化，则Functional仿真会向后采，而Timing仿真会向前采。中间变量均向前采。似乎Quartus功能仿真时默认下降沿锁存数据，上升沿驱动输出，而modelsim均取上升沿。

     End Time尽量设大一些，免得输出延时太大导致波形显示不全，而重新设置初始化文件既不方便又容易出错。当然End Time大了，仿真时间会长一点，但总好过因End Time不够而被迫重新编辑波形。End Time比较大时，时间轴Time bar的移动很不方便，可以在波形需要读取坐标处右键“Insert Time bar”。如果此前已有其他Time bar，则在新Time bar(虚线)上右键“Make Master Time bar”设为主坐标(实现)，便可通过键盘“←”、“→”键调整坐标位置。记录下目标点的大致坐标，观察时直接拖动水平滚动条更快。直接在信号波形上双击，即可选中整个波形。选择一段波形，再鼠标滚轮放大，则以选中波段为中心显示放大。Tools|Options|Processing里可以设置仿真输出格式为vwf、cvwf或vcd。

     v文件设为顶层后File-->Create/Update...即可生成symbol，但建议先做...Elaboration过滤语法错误。bdf文件更新及转HDL文件时无需设为顶层。改变源文件端口次序可使生成的符号易于连线。bdf生成的HDL文件智能化不够，底层模块修改参数后注意要在HDL中一定要改过来！

     在图表文件里双击symbol可以打开其对应的v文件或bdf文件或Select对话框。如果同时还有对应的vwf文件加入工程，也会将其列入对话框中。

     在Quartus里打开已锁定管脚的图表文件，有时会发现未显示管脚，这时需将该图表文件设为顶层文件(注意从Project Navigator中剔除与其对应或重名的.v文件)，再Start Analysis and Elaboration即可在图表文件中显示已分配过的管脚。

     用MegaWizard定制元件，其实只需生成.v和.bsf两种格式的文件。除非定制ROM(需指定内存初始化文件)，否则类似的宏单元没必要重复定制，其实只需例化名不同即可。比如经常要定制I、Q两路的FIFO，其实只需定制一个，在例化名里标识出I、Q即可。在Project Navigator-->Hierarchy里宏单元名上右键“MegaWizard Plug-in Manager”或直接双击，可打开宏单元编辑器修改定制元件。如果Hierarchy 不能展开，设置顶层并Start Analysis and Elaboration即可。

     Quartus II停止响应时，直接关掉重启。如果上次编译后未做修改，则重新打开工程后不必再编译一遍。但不要因为编译后重新打开工程不必再次编译，而不必要地重启工程或重启Quartus。因为重启后再也无法Undo此前所做的修改了，而这可能带来非常大的麻烦。 

3.4 Quartus中调用Modelsim做仿真

     1) 功能仿真

     将图表文件转换为HDL文件，然后将.v文件加入工程并设为顶层(同时剔除.bdf文件)，在Settings里设置testbench路径，Start Analysis and Elaboration无误后Run EDA RTL Simulation，否则会出现Module “xxx” is not defined的错误。

     2) 时序仿真

     步骤基本同上，只不过最后要选Run EDA Gate Level Simulation。

     仿真ROM时，要将.hex文件放置在simulation/modelsim目录下。

     Modelsim中显示模拟波形：信号名上右键“Properties”-->“Format”-->“Analog”选项卡，Height设为50(默认17)，Offset设为0，Scale设为0.1。

     如果你的程序复杂，时钟频率高，测试向量多都会导致较长的Modelsim仿真时间，这是难以避免的。当然有一些小技巧可以在一定程度上缩短仿真时间(不考虑是否改善计算机硬件配置)比如设计的工作时钟频率为80MHz,即周期为12.5ns，原则上同步时序电路进行功能仿真的时间步进单位就是6.25ns，timescale为0.01ns因为同步时序逻辑一般都只使用时钟的上升沿 所以不需要严格要求时钟其他指标的具体实现 这样就可以把时钟信号设置为非1:1的占空比 即高电平6.5ns 低电平6ns 此时的timescale变为0.1ns 仿真速度可以加快一些 另外如果通过让testbench输出仿真结果文件而不是直接察看波形窗口的话 仿真速度可有较明显提高。

     timescale在仿真的时候需要注意：

     1) 如果不设置，modelsim默认1ps/1ps,vcs默认1s/1s

     2) 可通过printtimescale打印出来指定模块的timescale，如下

Initial begin
   $printtimescale(modulenume);
end

     3) timescale 与`resetall成对使用

     不要Load“projectname_run_msim_rtl_verilog.do”，否则会重新编译库。 

3.5 SignalTap II

     SignalTap II在加入Pre_synthesis Node之前，只需知道有哪些Node即可，并不需要做Fitter和Assembler。只需Start | Start Analysis and Elaboration即可，等加完Node后再做Start Compilation，这样可减少一次编译的时间。

     post-fitting用于选择增量编译时，而pre-synthesis用于非增量编译时。

     逮数据时只把Start触发沿设为rising edge。先Run逻辑分析仪，然后瞬间按下清零键，就可以逮到Start变高时的数据。

     使用Signaltap II嵌入式逻辑分析仪时，注意采样深度不要设置过大，因为stp文件是要加入工程的，采样RAM占用了器件很大一部分memory bits。