以下文章來源于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。一個非常常見的現(xiàn)象是：設(shè)計者常常用復(fù)雜的有限狀態(tài)機（FSM）來實現(xiàn) I2C、SPI、GPIO 時序控制等功能。

然而，隨著功能不斷擴展，這些 FSM 往往會變得十分龐大、難以維護，大大增加了系統(tǒng)上板調(diào)試與驗證的難度。而且，這些 FSM 不僅要經(jīng)過仿真驗證，上板后還要再次驗證——耗時、費力，也不夠靈活。

當我在 FPGA 中實現(xiàn)這類接口時，我的常用方法是直接用 MicroBlaze V 來替代復(fù)雜 FSM。通過加入一個輕量級軟核處理器，我可以用簡單的 C 程序來完成控制功能。這讓整個邏輯變得更靈活、更直觀，也更容易修改，尤其是在項目末期不可避免的“最后一分鐘更改”發(fā)生時，這種方式能顯著降低風險。

可能有人會擔心：加入 MicroBlaze V 會不會導(dǎo)致資源暴增？

事實上，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，以及它們對資源占用的影響。

MicroBlaze V 架構(gòu)選項：不同流水線級數(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)在流水線級數(shù)：

Area（面積） 配置：3 級流水線 —— 資源最小化

Throughput（吞吐量） 配置：4 級流水線 —— 注重運算吞吐率

Performance（性能） 配置：5 級流水線 —— 面向高性能

Frequency（頻率） 配置：8 級流水線 —— 優(yōu)化最高運行頻率

需要注意的是，如果程序運行在延遲較高的外部存儲上（如 DDR），指令獲取可能超過一個周期，因此存儲層級與緊耦合緩存（Tightly Coupled Memory/Cache）至關(guān)重要。關(guān)于緩存配置，我會在下一篇文章中詳細討論。

MicroBlaze V 的 ISA 可選擴展

MicroBlaze V 支持啟用多種可選 RISC-V 擴展，每一種都會影響面積、性能與靈活性：

1. Code Compression (C)-代碼壓縮（C 擴展）

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 擴展）

加速涉及乘除法的運算

會使用一定數(shù)量的 FPGA DSP 資源

3. Floating Point (F)-浮點單精度（F 擴展）

提供硬件浮點運算

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 擴展）

實現(xiàn)原子讀-改-寫指令

適用于 RTOS、多線程、鎖機制

邏輯開銷較小

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

加速移位、旋轉(zhuǎn)、位計數(shù)、提取等操作

對加密、DSP 類應(yīng)用非常有價值

啟用更多擴展意味著更多資源占用，因此我對不同配置進行了綜合與實現(xiàn)，對比資源消耗情況。

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：

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、浮點等擴展

非常適合替代中小型 FSM

M 擴展導(dǎo)致資源中等增加

LUT/FF 有一定增加

DSP 消耗增加（乘法器）

F 擴展導(dǎo)致資源大幅增長

因 FPU（浮點單元）需要大量邏輯

C 擴展幾乎“免費”

硬件增加極小

但顯著減少代碼體積與 BRAM 使用

強烈推薦啟用

ICMF（全功能）組合資源最多

但相比其他 CPU，要實現(xiàn)同等功能仍相當劃算

資源增長趨勢（相對于 RV32I）

可見：

C 擴展最劃算，建議幾乎所有項目都開啟

F 擴展才是資源暴增的主要來源

M 擴展非常值得開啟，只需少量 DSP

不同應(yīng)用的最佳配置建議

結(jié)合資源、性能與實測數(shù)據(jù)，可給出常見設(shè)計的推薦選項：

● RV32IM（Throughput吞吐量）

極佳的平衡性——約 1.5K 個 LUT，4 個 DSP

適合需要少量算術(shù)與可靠吞吐的驅(qū)動型任務(wù)

● RV32IMF（Performance性能）

計算密集型 — 4012 個查找表，6 個數(shù)字信號處理器

高性能、高算力需求

示例：浮點運算、控制算法

● RV32IC

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

對 BRAM 敏感的設(shè)計優(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展性

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

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