基于FPGA的可变长度移位寄存器优化设计

本文以最大可变长度为N、宽度为1bit的移位寄存器为模型，讨论如何从结构上优化可变长度移位寄存器和有效的FPGA实现。至于宽度不为1bit的情况，可以此类推。

　　1 可变长度移位寄存器的常用结构

　　通常可变长度移位寄存器的结构可分为两种：一种是输入分支型(结构A)，如图1所示;另一种是输出分支型(结构B)，如图2所示。

　　结构A与结构B有两个共同点：第一，都是由触发器链路加数据流向控制逻辑组成;第二，每级触发器的输入输出都是信号节点，因而各级都需要对本级节点的信号流向进行控制。结构A用n-to-2n译码器来控制信号流向，结构B则用2n:1多路复用器控制信号流向。对于基本逻辑单元为查找表(LUT)+触发器(FF)+多路复用器(MUX)结构的FPGA来说，直接采用结构A与结构B构造较长的移位寄存器时，触发器链和复杂的组合逻辑会消耗很多资源，即这两种结构不宜用于较长的可变长度移位寄存器。

　　2 解决方案

　　为解决上述问题，可以采用如下两个方法：

　　(1)优化功能结构与硬件结构的搭配。根据移位寄存器结构类型，选择适宜的FPGA芯片以提高资源利用率，降低资源消耗。

　　(2)优化移位寄存器结构。采用FPGA片内RAM来实现移位寄存器，利用片内RAM速度快、数量大的优点，直接减少基本逻辑单元的消耗，提高资源利用率。

　　2.1 优化功能结构与硬件结构的搭配

　　通过调整FPGA芯片类型与移位寄存器结构类型的搭配，可以提高资源利用率，降低资源消耗。下面以结构B为例，阐述如何应用Xilinx公司的Spartan-3系列芯片高效地实现N=128的可变长度移位寄存器。

　　2.1.1 实现原理

　　Spartan-3系列芯片的每个可配置逻辑块CLB[1]如图3所示，包含8个LUT、8个DFF和8个2：1多路复用器(4个F5MUX，2个F6MUX，1个F7MUX，1个F8MUX)，而每个LUT都能配置成移位寄存器模式(SRL)，相当于一个16级的可逐级寻址的移位寄存器。如图4所示，一个LUT就包含了构成结构B所需的全部要素，从而有效地实现N=16的可变长度移位寄存器[2].Q15是用于多级级联实现N>16的移位寄存器的进位输出。