以下文章來(lái)源于OpenFPGA，作者碎碎思

在各類行業(yè)與應(yīng)用中，經(jīng)常能看到許多 FPGA 設(shè)計(jì)。一個(gè)非常常見的現(xiàn)象是：設(shè)計(jì)者常常用復(fù)雜的有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來(lái)實(shí)現(xiàn) I2C、SPI、GPIO 時(shí)序控制等功能。

然而，隨著功能不斷擴(kuò)展，這些 FSM 往往會(huì)變得十分龐大、難以維護(hù)，大大增加了系統(tǒng)上板調(diào)試與驗(yàn)證的難度。而且，這些 FSM 不僅要經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，上板后還要再次驗(yàn)證——耗時(shí)、費(fèi)力，也不夠靈活。

當(dāng)我在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)這類接口時(shí)，我的常用方法是直接用 MicroBlaze V 來(lái)替代復(fù)雜 FSM。通過(guò)加入一個(gè)輕量級(jí)軟核處理器，我可以用簡(jiǎn)單的 C 程序來(lái)完成控制功能。這讓整個(gè)邏輯變得更靈活、更直觀，也更容易修改，尤其是在項(xiàng)目末期不可避免的“最后一分鐘更改”發(fā)生時(shí)，這種方式能顯著降低風(fēng)險(xiǎn)。

可能有人會(huì)擔(dān)心：加入 MicroBlaze V 會(huì)不會(huì)導(dǎo)致資源暴增？

事實(shí)上，MicroBlaze V 的可配置性非常高，可以根據(jù)應(yīng)用需求高度裁剪資源，從而大幅減小占用。

這篇文章便是希望深入探討：MicroBlaze V 的配置選項(xiàng)，以及它們對(duì)資源占用的影響。

MicroBlaze V 架構(gòu)選項(xiàng)：不同流水線級(jí)數(shù)

MicroBlaze V 基于 RISC-V RV32 架構(gòu)，但它不僅可配置外設(shè)與接口，還可以選擇指令集擴(kuò)展，以及處理器內(nèi)部架構(gòu)，比如流水線深度。

Vivado 中 MicroBlaze V 的架構(gòu)配置主要體現(xiàn)在流水線級(jí)數(shù)：

Area（面積） 配置：3 級(jí)流水線 —— 資源最小化

Throughput（吞吐量） 配置：4 級(jí)流水線 —— 注重運(yùn)算吞吐率

Performance（性能） 配置：5 級(jí)流水線 —— 面向高性能

Frequency（頻率） 配置：8 級(jí)流水線 —— 優(yōu)化最高運(yùn)行頻率

需要注意的是，如果程序運(yùn)行在延遲較高的外部存儲(chǔ)上（如 DDR），指令獲取可能超過(guò)一個(gè)周期，因此存儲(chǔ)層級(jí)與緊耦合緩存（Tightly Coupled Memory/Cache）至關(guān)重要。關(guān)于緩存配置，我會(huì)在下一篇文章中詳細(xì)討論。

MicroBlaze V 的 ISA 可選擴(kuò)展

MicroBlaze V 支持啟用多種可選 RISC-V 擴(kuò)展，每一種都會(huì)影響面積、性能與靈活性：

1. Code Compression (C)-代碼壓縮（C 擴(kuò)展）

32 位指令替換為 16 位短指令

程序體積可減少 25–35%

幾乎無(wú)性能損失

硬件只需極少資源，非常劃算

2. Integer Multiplier (M)-整數(shù)乘法/除法（M 擴(kuò)展）

加速涉及乘除法的運(yùn)算

會(huì)使用一定數(shù)量的 FPGA DSP 資源

3. Floating Point (F)-浮點(diǎn)單精度（F 擴(kuò)展）

提供硬件浮點(diǎn)運(yùn)算

性能顯著提升

資源消耗大幅上升（LUT/FF）

4. Atomic Operations (A)-原子操作（A 擴(kuò)展）

實(shí)現(xiàn)原子讀-改-寫指令

適用于 RTOS、多線程、鎖機(jī)制

邏輯開銷較小

5. Bit Manipulation (Zba/Zbb/Zbc/Zbs) -位操作擴(kuò)展（Zba/Zbb/Zbc/Zbs）

加速移位、旋轉(zhuǎn)、位計(jì)數(shù)、提取等操作

對(duì)加密、DSP 類應(yīng)用非常有價(jià)值

啟用更多擴(kuò)展意味著更多資源占用，因此我對(duì)不同配置進(jìn)行了綜合與實(shí)現(xiàn)，對(duì)比資源消耗情況。

MicroBlaze V 綜合結(jié)果（部分）

以下為四種流水線配置下，主要 ISA 組合的 LUT、FF、BRAM、DSP 使用情況。從結(jié)果中可以看出一些趨勢(shì)：

Area（資源占用）

Throughput（吞吐）

Performance（性能）

Frequency（頻率）

從表格和圖表中可以看出：

最小的 RV32I 資源占用最小

不含壓縮、乘法、浮點(diǎn)等擴(kuò)展

非常適合替代中小型 FSM

M 擴(kuò)展導(dǎo)致資源中等增加

LUT/FF 有一定增加

DSP 消耗增加（乘法器）

F 擴(kuò)展導(dǎo)致資源大幅增長(zhǎng)

因 FPU（浮點(diǎn)單元）需要大量邏輯

C 擴(kuò)展幾乎“免費(fèi)”

硬件增加極小

但顯著減少代碼體積與 BRAM 使用

強(qiáng)烈推薦啟用

ICMF（全功能）組合資源最多

但相比其他 CPU，要實(shí)現(xiàn)同等功能仍相當(dāng)劃算

資源增長(zhǎng)趨勢(shì)（相對(duì)于 RV32I）

可見：

C 擴(kuò)展最劃算，建議幾乎所有項(xiàng)目都開啟

F 擴(kuò)展才是資源暴增的主要來(lái)源

M 擴(kuò)展非常值得開啟，只需少量 DSP

不同應(yīng)用的最佳配置建議

結(jié)合資源、性能與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可給出常見設(shè)計(jì)的推薦選項(xiàng)：

● RV32IM（Throughput吞吐量）

極佳的平衡性——約 1.5K 個(gè) LUT，4 個(gè) DSP

適合需要少量算術(shù)與可靠吞吐的驅(qū)動(dòng)型任務(wù)

● RV32IMF（Performance性能）

計(jì)算密集型 — 4012 個(gè)查找表，6 個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器

高性能、高算力需求

示例：浮點(diǎn)運(yùn)算、控制算法

● RV32IC

如果工作負(fù)載僅涉及整數(shù)運(yùn)算且內(nèi)存帶寬受限，則它是最具成本效益的選擇。

對(duì) BRAM 敏感的設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮

● RV32ICMF（Area面積）

適用于復(fù)雜系統(tǒng)控制

指令壓縮提高程序密度

總結(jié)：MicroBlaze V 是 FSM 的更現(xiàn)代、更靈活的替代方案

在 FPGA 設(shè)計(jì)中，使用 MicroBlaze V 替代復(fù)雜 FSM，能夠：

大幅降低 RTL 復(fù)雜度

提高可維護(hù)性

加快調(diào)試效率

在資源可控的前提下，獲得極高的靈活性與擴(kuò)展性

在最小配置下，MicroBlaze V 的資源占用非常小，卻能輕松實(shí)現(xiàn)許多 FSM 很難維護(hù)的復(fù)雜功能。

對(duì)于需要快速適配變化、軟件可擴(kuò)展性高、邏輯較復(fù)雜的控制任務(wù)，MicroBlaze V 無(wú)疑是更先進(jìn)、更高效的選擇。