關(guān)于FPGA中的設(shè)計(jì)思維

一、邏輯設(shè)計(jì)

（1）組合邏輯設(shè)計(jì)

下面是一些用Verilog進(jìn)行組合邏輯設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)：

①組合邏輯可以得到兩種常用的RTL 級(jí)描述方式。第一種是always 模塊的觸發(fā)事件為電平敏感信號(hào)列表；第二種就是用assign 關(guān)鍵字描述的數(shù)據(jù)流賦值語(yǔ)句。

②always 模塊的敏感表為電平敏感信號(hào)的電路可幾乎可以完成對(duì)所有組合邏輯電路的建模。always模塊的敏感列表為所有判斷條件信號(hào)和輸入信號(hào)，但一定要注意敏感列表的完整性（注意通配符*的使用）。

由于賦值語(yǔ)句有阻塞賦值和非阻塞賦值兩類(lèi)，建議讀者使用阻塞賦值語(yǔ)句“=”，原因?qū)⒃凇白枞x值和非阻塞賦值”中（現(xiàn)在還沒(méi)有寫(xiě)）進(jìn)行說(shuō)明。

always 模塊中的信號(hào)必須定義為reg 型，不過(guò)最終的實(shí)現(xiàn)結(jié)果中并沒(méi)有寄存器。這是由于在組合邏輯電路描述中，將信號(hào)定義為reg 型，只是為了滿足語(yǔ)法要求。

③assign 語(yǔ)句的描述，利用條件符“？”可以描述一些相對(duì)簡(jiǎn)單的組合邏輯電路，左邊的賦值信號(hào)只能被定義為wire 型。當(dāng)組合邏輯比較復(fù)雜時(shí)，需要很多條語(yǔ)句assign 語(yǔ)句或者多重嵌套“？”，使得代碼可讀性極差，因此此時(shí)推薦always組合邏輯建模方式。

④設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要出現(xiàn)組合邏輯環(huán)路：

不要在組合邏輯中引入環(huán)路，在組合邏輯中引入環(huán)路會(huì)導(dǎo)致電路產(chǎn)生振蕩、毛刺以及沖突等問(wèn)題，從而降低設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，環(huán)回邏輯的延時(shí)完全依靠組合邏輯門(mén)延遲和布線延遲。一旦這些傳播時(shí)延有所變化，則環(huán)路的整體邏輯將徹底失效。其次，環(huán)路的時(shí)序分析是個(gè)死循環(huán)過(guò)程。目前的EDA 開(kāi)發(fā)工具為了計(jì)算環(huán)路的時(shí)序邏輯都會(huì)主動(dòng)割斷時(shí)序路徑，引入許多不確定的因素。因此要徹底避免環(huán)路。

（2）時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)

①時(shí)序電路的行為決定了其只能通過(guò)always 塊語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，通過(guò)關(guān)鍵詞“posedge”和“negedge”來(lái)捕獲時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿。在always 語(yǔ)句塊中可以使用任何可綜合的標(biāo)志符。

②在描述時(shí)序電路的always 塊中的reg 型信號(hào)都會(huì)被綜合成寄存器，這是和組合邏輯電路所不同的。

③時(shí)序邏輯中推薦使用非阻塞賦值“《=”，原因?qū)⒑竺嬖敿?xì)說(shuō)明。

④時(shí)序邏輯的敏感信號(hào)列表只需要加入所用的時(shí)鐘觸發(fā)沿即可，其余所有的輸入和條件判斷信號(hào)都不用加入，這是因?yàn)闀r(shí)序邏輯是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的跳變沿來(lái)控制的。

二、鎖存器

鎖存器是個(gè)“奇葩”的器件，在FPGA邏輯設(shè)計(jì)中很避諱；在ASIC設(shè)計(jì)中，以前很喜歡（因?yàn)槊娣e小），現(xiàn)在不是很喜歡了。在這里就記錄一下關(guān)于鎖存器的一些事項(xiàng)吧。

（1）鎖存器的概述

①最常見(jiàn)最基本的鎖存器是SR鎖存器，然后常見(jiàn)常用的鎖存器是D鎖存器。在數(shù)字電路里面，SR鎖存器是最簡(jiǎn)單的時(shí)序單元，它由一對(duì)交叉耦合的或非門(mén)構(gòu)成。主要功能就是通過(guò)輸入的S、R端分別控制Q進(jìn)行置位（set）和復(fù)位（reset）。SR鎖存器可以具有鎖存數(shù)據(jù)的功能。雖然SR鎖存器可以鎖存數(shù)據(jù)，電路結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，但是有一個(gè)毛病就是S和R同時(shí)有效時(shí)，輸出錯(cuò)誤，使用不夠方便；還有一個(gè)問(wèn)題就是某個(gè)時(shí)候存某個(gè)數(shù)據(jù)分不開(kāi)，相當(dāng)于時(shí)間和內(nèi)容不夠清晰。因此就有了D鎖存器，D鎖存的功能是在時(shí)鐘高/低電平的時(shí)候通過(guò)數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘低/高電平的時(shí)候鎖存數(shù)據(jù)。D鎖存器可以分為前級(jí)門(mén)電路（兩個(gè)與門(mén)和一個(gè)非門(mén)）和后級(jí)SR鎖存器組成。

②鎖存器是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)，其本身也是一類(lèi)常用的邏輯單元，有著特定的需求。

③鎖存器在數(shù)據(jù)未鎖存時(shí)，輸出端的信號(hào)隨輸入信號(hào)變化，就像信號(hào)通過(guò)一個(gè)緩沖器一樣，一旦鎖存信號(hào)有效，則數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號(hào)不起作用。因此，鎖存器也被稱為透明鎖存器，指的是不鎖存時(shí)輸出對(duì)于輸入是透明的。

④鎖存器和寄存器都是數(shù)字電路的基本存儲(chǔ)單元，但鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)器，觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的存儲(chǔ)器。

本質(zhì)上，鎖存器和D 觸發(fā)器的邏輯功能是基本相同的，都可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，且鎖存器所需的門(mén)邏輯更少，具備更高的集成度。

⑤鎖存器具備下列三個(gè)缺點(diǎn)：

·對(duì)毛刺敏感，不能異步復(fù)位，因此在上電后處于不確定的狀態(tài)。

·鎖存器會(huì)使靜態(tài)時(shí)序分析變得非常復(fù)雜，不具備可重用性。

·在FPGA/CPLD芯片中，基本的單元是由查找表和觸發(fā)器組成的，若生成鎖存器反而需要更多的資源。

（2）鎖存器的產(chǎn)生

①鎖存器產(chǎn)生于組合邏輯的設(shè)計(jì)中，在基于always的組合邏輯描述語(yǔ)句中，可能產(chǎn)生鎖存器的情況具體可分為兩種：其一是在if 語(yǔ)句中，另一種是在case 語(yǔ)句中。

②在always 塊中使用if 語(yǔ)句，但缺乏else 分支而造成鎖存器。

③在always 塊中使用case 語(yǔ)句，由于缺乏default 分支而造成鎖存器。

④如果用到if 語(yǔ)句，最好有else 分支；如果用到case 語(yǔ)句，最好有default 語(yǔ)句。即使需要鎖存器，也通過(guò)else 分支或default 分支來(lái)顯式說(shuō)明。

（3）鎖存器的應(yīng)用

①在總線應(yīng)用上，鎖存器能提高驅(qū)動(dòng)能力、隔離前后級(jí)。

②地址鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、復(fù)位信號(hào)鎖存器；門(mén)控時(shí)鐘鐘的應(yīng)用等等。

三、設(shè)計(jì)思維

這個(gè)設(shè)計(jì)思維本來(lái)屬于設(shè)計(jì)技巧里面的，放在這里說(shuō)明，是為了告訴自己，在進(jìn)行電路描述的時(shí)候， 是基于這些準(zhǔn)則的，在設(shè)計(jì)時(shí)能夠根據(jù)這些基本準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化電路。下面是常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思維，主要是基于FPGA的，關(guān)于ASIC其他設(shè)計(jì)技巧或者設(shè)計(jì)思維，我記錄在了“技巧”篇。

（1）速度面積互換準(zhǔn)則

①速度與面積是設(shè)計(jì)時(shí)常考慮的的一個(gè)問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮怎么在這二者之間的權(quán)衡。當(dāng)然，現(xiàn)在功耗也與速度、面積成為需要考慮的重大因素之一。

②面積和速度互換的具體操作很多，比如模塊復(fù)用、乒乓操作、串并轉(zhuǎn)換以及流水線操作等。在設(shè)計(jì)技巧策略和技巧那一章節(jié)中將會(huì)進(jìn)行敘述。

③串并轉(zhuǎn)換乘法器：假設(shè)數(shù)據(jù)速率是乘法器模塊處理速度的3 倍，那么由于乘法器模塊的數(shù)據(jù)吞吐量滿足不了要求，在這種情況下，就利用面積換速度的思想，復(fù)制3 個(gè)乘法器模塊。首先將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后利用這3 個(gè)模塊并行處理所分配到的數(shù)據(jù)，最后將處理結(jié)果并串轉(zhuǎn)換，達(dá)到數(shù)據(jù)速率的要求。

如下圖所示：

（2）FPGA中的設(shè)計(jì)思維

①信號(hào)反相的處理策略

在處理反相信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地遵從分散反相原則。即應(yīng)使用多個(gè)反相器分別反相，每個(gè)反相器驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載，這個(gè)原則無(wú)論對(duì)時(shí)鐘信號(hào)還是對(duì)其它信號(hào)都是適用的。

因?yàn)樵贔PGA設(shè)計(jì)中，反相是被吸收到CLB或IOB中的，使用多個(gè)反相器并不占用更多的資源，而使用一個(gè)反相器將信號(hào)反相后驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載卻往往會(huì)多占資源，而且延遲也增加了。

②首先，如果輸入信號(hào)需要反相，則應(yīng)盡可能地調(diào)用輸入帶反相功能的符號(hào)，而不是用分離的反相器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反相。

因?yàn)樵谑褂米詭Х聪喙δ艿钠骷校捎诤瘮?shù)發(fā)生器用查表方式實(shí)現(xiàn)邏輯，反相操作是不占資源的，也沒(méi)有額外延遲；而分開(kāi)使用不同邏輯使用反相操作實(shí)現(xiàn)，從而消耗額外的資源，增加額外的延遲。

③其次，如果一個(gè)信號(hào)反相后驅(qū)動(dòng)了多個(gè)負(fù)載，則應(yīng)將反相功能分散到各個(gè)負(fù)載中實(shí)現(xiàn)，而不能采用傳統(tǒng)TTL電路設(shè)計(jì)，采用集中反相驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載來(lái)減少所用的器件的數(shù)量。

因?yàn)樵贔PGA設(shè)計(jì)中，集中反相驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載往往會(huì)多占一個(gè)邏輯塊或半個(gè)邏輯塊，而且延遲也增加了。分散信號(hào)的反相往往可以與其它邏輯在同一單元內(nèi)完成而不消耗額外的邏輯資源。

原文標(biāo)題：VerilogHDL 可綜合設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

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