在大规模逻辑设计中，逻辑模块可能达到数十甚至上百个。每个模块都需要通过寄存器输入配置和读取状态。若将每个模块的寄存器都平铺式设计，将每个模块的寄存器直接与逻辑模块相连，会带来以下几个问题：

    第一，连线复杂，资源占用高：各逻辑模块与寄存器模块之间的连线会变得非常复杂，导致片上布线资源的大量占用，增加了设计的复杂性和物理实现的难度。

    第二，地址管理困难：各模块寄存器的地址分配不易区分，寄存器说明文件会变得庞大且难以维护，查找特定寄存器的信息变得低效。

    第三，扩展性差：当其中一个模块需要增加寄存器时，地址分配和文件修改的工作量会显著增加，影响设计的可扩展性和维护效率。

    这种设计方式不仅增加了开发和调试的复杂性，还可能影响系统的性能和可维护性。因此，需要采用更优化的寄存器管理方案来解决这些问题。

         针对上述设计带来的问题，我们提出一种寄存器分级设计方案。通过将寄存器按功能或模块进行层次化划分，可以有效解决连线复杂、地址管理困难以及扩展性差等问题。这种分级设计不仅优化了片上资源的利用率，还提高了系统的可维护性和可扩展性。

         首先，设计一种寄存器总线，可支持针对特定地址的读写操作，应用于各模块之间。第二，对大规模逻辑设计进行层次化划分，从顶到底分为top、block、module三级，数个布局相邻模块、功能相近模块划分在一个block内，数个block汇聚为逻辑设计顶层。寄存器模块通过寄存器总线连接各block，在顶层设置寄存器总线仲裁器，同时只允许一个寄存器进行读写访问。为各block分配地址段。同理，对于同一个block下的数个module，block寄存器通过寄存器总线和各module寄存器相连，在block内设置总线仲裁器，同时只允许一个寄存器进行读写访问。为各module在block地址段内分配子地址段。层次结构如图一所示。

图一 寄存器层级划分

 同时，在设计寄存器文件时，可以根据module和block进行如图二至图五所示的分页设计，使得大规模逻辑设计的地址更加清晰。

图二

图三 top寄存器设计实例

图四 block级寄存器设计

图五 module寄存器设计   

 按照这样的寄存器层级进行设计，可以实现多人协作设计和大规模逻辑设计的加速。