在FPGA設(shè)計(jì)中，除法運(yùn)算作為核心算術(shù)操作之一，其實(shí)現(xiàn)效率直接影響系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)方法通過(guò)Verilog/VHDL直接實(shí)現(xiàn)除法器會(huì)消耗大量邏輯資源，而Xilinx等廠商提供的除法器IP核通過(guò)參數(shù)化配置，可顯著優(yōu)化資源利用率與運(yùn)算速度。本文以Xilinx Vivado工具為例，探討除法IP核的配置方法與參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)踐。

一、除法IP核的核心參數(shù)配置

1. 算法模式選擇

Xilinx Divider IP核提供三種算法模式，需根據(jù)數(shù)據(jù)位寬與性能需求選擇：

LUTMult模式：適用于12位以下除法，通過(guò)查找表實(shí)現(xiàn)除數(shù)倒數(shù)預(yù)計(jì)算，結(jié)合乘法器完成運(yùn)算。資源消耗最低，但位寬受限。

Radix-2模式：采用迭代減法實(shí)現(xiàn)，支持12-16位數(shù)據(jù)，平衡資源與延遲，是通用場(chǎng)景的首選。

High Radix模式：針對(duì)16位以上大位寬設(shè)計(jì)，通過(guò)預(yù)縮放技術(shù)并行生成多位商，需配合DSP塊使用，適合高性能計(jì)算。

配置示例（Vivado IP Catalog配置界面）：

tcl

# TCL腳本配置示例

create_ip -name div_gen -vendor xilinx.com -library ip -version 5.0 -module_name my_divider

set_property -dict [list \

   CONFIG.Algorithm_Type {Radix-2} \

   CONFIG.Dividend_Width {16} \

   CONFIG.Divisor_Width {16} \

   CONFIG.Remainder_Type {Remainder} \

] [get_ips my_divider]

2. 輸出類(lèi)型與精度控制

余數(shù)模式：輸出商與余數(shù)，余數(shù)位寬自動(dòng)匹配除數(shù)位寬。例如16位除法輸出16位商與16位余數(shù)。

分?jǐn)?shù)模式：支持定點(diǎn)小數(shù)輸出，可配置小數(shù)位寬（Fractional Width）。例如配置8位小數(shù)時(shí)，16位被除數(shù)與除數(shù)可輸出16位商與8位小數(shù)部分。

關(guān)鍵參數(shù)：

CONFIG.Remainder_Type {Fractional}：?jiǎn)⒂梅謹(jǐn)?shù)模式

CONFIG.Fractional_Width {8}：設(shè)置小數(shù)位寬

二、參數(shù)化設(shè)計(jì)的資源優(yōu)化策略

1. 流水線級(jí)數(shù)調(diào)整

通過(guò)增加流水線級(jí)數(shù)（Pipeline Stages）可提升時(shí)鐘頻率，但會(huì)增加延遲。例如，配置4級(jí)流水線的16位除法器在Artix-7器件中可達(dá)200MHz，延遲為4個(gè)時(shí)鐘周期。

配置方法：

tcl

set_property CONFIG.ACLKEN {true} [get_ips my_divider]  # 啟用時(shí)鐘使能

set_property CONFIG.Pipeline_Stages {4} [get_ips my_divider]

2. 接口信號(hào)優(yōu)化

非阻塞模式（Non-blocking）：IP核持續(xù)接收數(shù)據(jù)，無(wú)需等待前次運(yùn)算完成，適合高速數(shù)據(jù)流。

阻塞模式（Blocking）：通過(guò)axis_ready信號(hào)控制數(shù)據(jù)輸入，避免數(shù)據(jù)覆蓋。

代碼示例（頂層模塊調(diào)用）：

verilog

module top (

   input clk,

   input [15:0] dividend,

   input [15:0] divisor,

   output [15:0] quotient,

   output [15:0] remainder,

   output valid

);

// 實(shí)例化除法器IP核

div_gen_0 my_divider (

   .aclk(clk),

   .s_axis_divisor_tvalid(1'b1),

   .s_axis_divisor_tdata(divisor),

   .s_axis_dividend_tvalid(1'b1),

   .s_axis_dividend_tdata(dividend),

   .m_axis_dout_tvalid(valid),

   .m_axis_dout_tdata({remainder, quotient})  // 高16位為余數(shù)，低16位為商

);

endmodule

三、性能對(duì)比與優(yōu)化效果

在Xilinx Artix-7 XC7A100T器件中，對(duì)16位除法器進(jìn)行資源占用測(cè)試：

實(shí)現(xiàn)方式 LUT消耗 FF消耗 DSP消耗 最大頻率 延遲（周期）

直接Verilog實(shí)現(xiàn) 1,240 850 0 85MHz 18

LUTMult模式 320 180 0 120MHz 8

Radix-2模式 480 220 1 180MHz 12

High Radix模式 680 300 2 220MHz 6

優(yōu)化結(jié)論：

資源敏感場(chǎng)景：優(yōu)先選擇LUTMult模式，資源占用減少74%，但需限制在12位以下數(shù)據(jù)。

性能敏感場(chǎng)景：High Radix模式通過(guò)2個(gè)DSP塊實(shí)現(xiàn)220MHz運(yùn)算，延遲降低67%。

通用場(chǎng)景：Radix-2模式在資源與性能間取得平衡，1個(gè)DSP塊即可支持180MHz運(yùn)算。

四、實(shí)際應(yīng)用案例：數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

在FIR濾波器中，除法運(yùn)算用于系數(shù)歸一化。采用參數(shù)化除法IP核后，16階濾波器的資源占用從4,200 LUT降低至2,800 LUT，運(yùn)算延遲從25ns降至12ns。

關(guān)鍵配置：

tcl

set_property CONFIG.Algorithm_Type {High Radix} [get_ips fir_divider]

set_property CONFIG.Dividend_Width {24} [get_ips fir_divider]

set_property CONFIG.Divisor_Width {16} [get_ips fir_divider]

set_property CONFIG.Pipeline_Stages {3} [get_ips fir_divider]

五、總結(jié)

通過(guò)Xilinx Divider IP核的參數(shù)化配置，FPGA除法運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)資源占用與運(yùn)算性能的靈活優(yōu)化。設(shè)計(jì)者需根據(jù)數(shù)據(jù)位寬、精度需求和系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，選擇合適的算法模式與流水線級(jí)數(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，參數(shù)化設(shè)計(jì)可使除法運(yùn)算資源占用降低50%-70%，同時(shí)提升時(shí)鐘頻率40%以上，為高性能數(shù)字信號(hào)處理、電機(jī)控制等場(chǎng)景提供了高效解決方案。