炼狱传奇-同步计数器优化之战

梦翼师兄

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经过前面的学习，我想大家已经意识到计数器的重要性，可以这样说，在FPGA的设计中，计数器无处不在，有时候计数器的性能决定了一个项目的成败，所以在这里，我们分别比较三种计数器的性能，第一种综合工具自动综合出来的计数器，第二种是经过优化的计数器，而第三种就是使用IP核的计数器。在比较这三种计数器之前，我们首先来了解一下计数器的数学模型。

计数器的数学模型：

有位宽是N的同步计数器count：

QN-1QN-2QN-3…Q1Q0= count[N-1:0]；

其中：

   Q0 = Q0(clk↑)

Q1 = Q1(clk↑, Q0 = 1)

Q2 = Q2(clk↑, Q1 & Q0 = 1)

Q3 = Q3(clk↑, Q2 & Q1 & Q0 = 1)

……………

QN-2 = Qn-2(clk↑, Qn-3 & Qn-4 &…… Q1 & Q0= 1)

QN-1 = Qn-1(clk↑, Qn-2 & Qn-3 &…… Q1 & Q0= 1)

若有EN-1EN-2 EN-3……E0满足：

E0 = 1

E1 = E0& Q0

E2 = E1& Q1

…………

EN-2 = EN-3& QN-3

EN-1 = EN-2& QN-2

则可以得到：

Q0 = Q0^ E0

Q1 = Q1^ E1

Q2 = Q2^ E2

…………

QN-2 = QN-2^ EN-2

QN-1 = QN-1^ EN-1

自动综合的计数器

架构图：

用Verilog HDL描述出来的代码如下：

测试代码如下：

仿真结果如下：

资源使用率如下图所示：

经过静态时序分析后，这种架构下的计数器最快可以去到327.23Mhz。

经过优化的计数器

架构图：

用Verilog HDL描述出来的代码如下：

测试代码如下：

仿真结果如下：

资源使用率如下图所示：

经过静态时序分析后，这种架构下的计数器最快可以去到357.27Mhz，比未优化的计数器频率提升20Mhz。

使用IP核计数器

测试代码如下：

仿真结果如下：

资源使用率如下图：

经过静态时序分析后，这种架构下的计数器最快可以去到397.93Mhz，比优化的计数器频率提升40Mhz，比未优化的计数器频率提升了60Mhz

总结：

速度方面      :   IP核计数器 > 优化计数器 > 为优化计数器；

资源使用      :   优化计数器  > IP核计数器 >未优化计数器；