摘要：本文是對實(shí)驗(yàn)課上講解的面向硬件電路的設(shè)計(jì)思維的總結(jié)，結(jié)合數(shù)字邏輯課本，進(jìn)行提煉和整理?？梢娮枞x值描述時(shí)序電路有風(fēng)險(xiǎn)。

本文是對實(shí)驗(yàn)課上講解的“面向硬件電路的設(shè)計(jì)思維”的總結(jié)，結(jié)合數(shù)字邏輯課本，進(jìn)行提煉和整理。

主要來源是課件與本人整理，部分參考了網(wǎng)絡(luò)大佬的博客。

本文主要介紹不同于之前軟件設(shè)計(jì)思維的硬件設(shè)計(jì)思維，從非阻塞賦值、并行、面積速度轉(zhuǎn)換、同步電路設(shè)計(jì)原則、模塊劃分設(shè)計(jì)、if-case對比等方面進(jìn)行整理。

內(nèi)容太多，我整理了好幾天，在浩如煙海的網(wǎng)絡(luò)前有點(diǎn)無力，想想是自己的實(shí)踐不夠，有一些問題沒有親身體驗(yàn)；也不能一蹴而就，得久久為功。所以這篇文章就當(dāng)作一個(gè)Verilog學(xué)習(xí)與FPGA設(shè)計(jì)的總述性文章，后續(xù)繼續(xù)學(xué)習(xí)我會加深對這些知識的理解。

00 阻塞賦值和非阻塞賦值

概念

回憶一下課本上的相關(guān)內(nèi)容。

• 阻塞賦值：

  • "="

  • Verilog編譯器按照這些語句在always塊中的先后順序依次執(zhí)行。

  • 如果一個(gè)變量通過阻塞賦值語句賦值，則這個(gè)新賦的值會在這個(gè)block中的后續(xù)語句中使用。

  • 相當(dāng)于串行

• 非阻塞賦值：

  • "<="

  • always塊中所有非阻塞賦值的語句在求值時(shí)所用的值是最初進(jìn)入always時(shí)各個(gè)變量已經(jīng)具有的值。

  • 換一個(gè)角度講，"<="左側(cè)的被賦值變量，只在always結(jié)束時(shí)統(tǒng)一被更新。

  • 相當(dāng)于并行

時(shí)序電路實(shí)例

阻塞賦值

先來看一看這段代碼：

1 module example5_5 (x1, x2, x3, Clock, f, g);2 input x1, x2, x3, Clock;3 output reg f, g;4 always @(posedgeClock)5 begin6 f=x1 & x2;7 g=f
    | x3;8end9endmodule

可以看到關(guān)鍵點(diǎn)是g的表達(dá)式，由于是阻塞賦值，所以相當(dāng)于：

 g=(x1 & x2) |
    x3;

綜合出的電路如圖：

非阻塞賦值

1 module example5_6 (x1, x2,
    x3, Clock, f, g);2 input x1, x2, x3,
    Clock;3 output reg f, g;4 always @(posedge Clock)5 begin6 f <=x1 &x2;7 g <=f | x3;8 end9 endmodule

這個(gè)區(qū)別之處就在于這個(gè)g，是x3與前一個(gè) f 進(jìn)行"|"運(yùn)算。

思考

將阻塞賦值的示例代碼中的兩個(gè)執(zhí)行語句互換位置，會發(fā)生什么情況？

可以料見影響比較大。

可見阻塞賦值描述時(shí)序電路有風(fēng)險(xiǎn)。

組合邏輯實(shí)例

相反的，如果我們要實(shí)現(xiàn) f=a1a0 + a2a1這樣一個(gè)函數(shù)；

阻塞賦值

1 always @(A)2 begin3 f=A[1]
    & A[0];4 f=f | (A[2] & A[1]);5 end

非阻塞賦值

1 always @(A)2 begin3 f <=A[1] & A[0];4 f <=f |
    (A[2] & A[1]);5 end

可見這段代碼有兩個(gè)特征;

1. 非阻塞賦值的結(jié)果在always結(jié)束后才可以看到

2. 多次賦值時(shí)，后覆蓋前。

這兩個(gè)特征使得第二個(gè)f語句出現(xiàn)問題，因?yàn)榈诙€(gè)語句

 f <=f | (A[2] & A[1]);

右側(cè)的f的值是不可見的。

總結(jié)

• 對組合邏輯建模采用阻塞賦值

• 對時(shí)序邏輯建模采用非阻塞賦值

• 用多個(gè)always塊分別對組合和時(shí)序邏輯建模

• 盡量不要在一個(gè)always塊里面混合使用阻塞賦值和非阻塞賦值。如果在同一個(gè)塊即為組合邏輯又為時(shí)序邏輯，應(yīng)使用“非阻塞賦值”

01 程序是并行執(zhí)行的

這里給的例子沒怎么看懂。自己查了一下。

先說結(jié)論：

1. 各個(gè)always塊是并行執(zhí)行的，

2. always塊和initial塊之間是并行執(zhí)行的，

3. begin-end塊內(nèi)是順序執(zhí)行的，

4. 但是非阻塞賦值(<=)是并行執(zhí)行的，阻塞賦值(=)是順序執(zhí)行的，這條優(yōu)先。且硬件思想的集中體現(xiàn)就是前面提到過的非阻塞賦值帶來的并行執(zhí)行語句。

再回去看例子：

 1 module test ( clk, reset, a, b ); 2 input clk; 3 input reset; 4 input [3:0 ] a; 5 output [ 3:0 ] b; 6  7 reg [ 3:0] tempa1, tempa2, b; 8  9 always @ ( posedge clk ) begin10 if ( !
    reset ) begin11 tempa1<=0;12tempa2<=0;13 b<=0;14 end15 elsebegin16 tempa1<=a + 1’b1;17tempa2<=tempa1 + 1’b1;18 b<=tempa2 + 1’b1;19 end20 end21 endmodule

可以料見實(shí)現(xiàn)的電路：

下面借鑒了這篇文章

波形圖：

可以看到強(qiáng)調(diào)的還是上面說過的非阻塞賦值的特點(diǎn)。

02 程序的可綜合性

實(shí)驗(yàn)任務(wù)里總有這么一句：“用可綜合的代碼......”

什么是可綜合性，什么又是不可綜合性呢？

下面學(xué)習(xí)了這篇文章

這篇文章講的挺多，但是我現(xiàn)在這個(gè)RTL級還沒搞明白的菜鳥用不到這么多，基本篩選如下：

不可綜合的Verilog語句：

• initial

  只能在test bench中使用，不能綜合。

• assign    和deassign

  不支持對reg    數(shù)據(jù)類型的assign或deassign進(jìn)行綜合，支持對wire數(shù)據(jù)類型的assign或deassign進(jìn)行綜合。

• fork join 不可綜合，可以使用非塊語句達(dá)到同樣的效果。

  這個(gè)塊是并行執(zhí)行的，但是不可綜合。

  敏感列表里同時(shí)帶有posedge和negedge 如：（現(xiàn)在也碰不到

  1 always@(posedge clk or negedge clk) 2 begin3  ...4 end

03 面積和速度的轉(zhuǎn)換

這里我們說的面積：設(shè)計(jì)所占用的FPGA邏輯資源數(shù)目，一般用所消耗的觸發(fā)器和查找表（還沒學(xué)）來衡量。

速度：是指在芯片上可以穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)能達(dá)到的最高頻率

兩者性能上的調(diào)配方法：

1. 模塊復(fù)用

2. 串并變換

   

    

    

   可以看到這種串并轉(zhuǎn)換，用更大的面積（即多個(gè)子模塊并行），達(dá)到高頻率的效果。這一點(diǎn)后面還會再提到。

3. 流水線

后續(xù)學(xué)習(xí)入口

04 同步電路的設(shè)計(jì)原則

同步設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：

1. 可以有效避免毛刺的影響，提高設(shè)計(jì)的可靠性

2. 可以簡化時(shí)序分析過程

3. 可以減少工作環(huán)境對設(shè)計(jì)的影響

設(shè)計(jì)原則：

（由于應(yīng)用還不多，對這些體會還不深刻，簡單記錄：

• 單時(shí)鐘

  全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘是性能最優(yōu)，最便于預(yù)測的時(shí)鐘，具有最強(qiáng)的驅(qū)動能力

• 單時(shí)鐘沿

  混合時(shí)鐘會使時(shí)序分析復(fù)雜、電路工作頻率降低

• 避免使用門控時(shí)鐘

  • 即時(shí)鐘不要與組合邏輯再進(jìn)行組合，如下：

  • 

     

     

  • 可能引起毛刺、偏移

• 在模塊內(nèi)部不要再產(chǎn)生時(shí)鐘了。

   

05 模塊劃分的設(shè)計(jì)原則

封裝復(fù)用

這有點(diǎn)像C++的封裝。

上一層模塊只負(fù)責(zé)下一層模塊的依據(jù)（即原材料），而具體行為互不相關(guān)。

這樣就保證了各個(gè)模塊的相對獨(dú)立性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，便于維護(hù)，也使得相同邏輯可以復(fù)用同一模塊。

同步時(shí)序模塊的寄存器劃分原則

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將模塊中的同步時(shí)序邏輯輸出信號以寄存器的形式送出，以便于綜合工具區(qū)分時(shí)序和組合邏輯；

并且時(shí)序輸出的寄存器應(yīng)符合流水線設(shè)計(jì)思路，能工作在更高的頻率，以極大地提高模塊吞吐量。

流水線設(shè)計(jì)思路是什么?

就是將組合邏輯系統(tǒng)地分割，并在各個(gè)部分（分級）之間插入寄存器，并暫存中間數(shù)據(jù)的方法。 目的是將一個(gè)大操作分解成若干的小操作，每一步小操作的時(shí)間較小，所以能提高頻率，各小操作能并行執(zhí)行，所以能提高數(shù)據(jù)吞吐率（提高處理速度）。

06 通用代碼風(fēng)格

邏輯復(fù)用與邏輯復(fù)制

對于我這個(gè)初學(xué)者來說，邏輯復(fù)用和邏輯復(fù)制十分相似，了解后就知道確實(shí)不同，主要是涉及性能衡量尺度：速度和面積的統(tǒng)籌。

• 邏輯復(fù)用是通過提高工作頻率來節(jié)省面積的優(yōu)化方法，經(jīng)常用于存在多個(gè)資源可共享單元的設(shè)計(jì)中。

  • PS：相當(dāng)于為了節(jié)省人力，而讓一個(gè)人干三個(gè)人的活。

    • 

    • 10MHZ乘法器

    • 

    • 兩個(gè)5MHZ乘法器

• 邏輯復(fù)制——面積換速度

  • 邏輯復(fù)用是通過增加面積而改善設(shè)計(jì)時(shí)序的優(yōu)化方法，經(jīng)常用于調(diào)整信號的扇出。

    • 舉例就類似于上面的面積換速度

    • 

邏輯結(jié)構(gòu)

• 鏈狀結(jié)構(gòu)

• 樹狀結(jié)構(gòu)

if和case語句的使用原則

1. If語句指定了一個(gè)有優(yōu)先級的編碼邏輯，

   而case語句生成的邏輯是并行的，不具有優(yōu)先級。

   這里的if的優(yōu)先級就引起一些其他問題：

    1 always@(in0,in1,in2,in3)  2 begin 3 sel=2’b00 ; 4 if(in0)
       sel=2’b00
       ; 5 else if(in1) sel=2’b01 ;  6 elseif(in2) sel=2’b10 ;  7 else if(in3) sel=2’b11 ;  8end 9//當(dāng)這里in0和in1都==1時(shí)，se1=2b00而不是2b01;10 //這就是if-else的優(yōu)先邏輯。

   而case是并行的，沒有優(yōu)先級。

2. if語句可以包含一系列的表達(dá)式；/有時(shí)甚至一個(gè)else就可以是一個(gè)二路選擇器。

   而case語句比較的是一個(gè)公共的控制表達(dá)式。整個(gè)語句塊一起構(gòu)成了一個(gè)多路選擇器。

   這個(gè)很好理解。

3. 通常if-else結(jié)構(gòu)速度較慢，但占用的面積??；

   case語句結(jié)構(gòu)速度較快，但占用的面積較大。

4. 嵌套的if語句如果使用不當(dāng)，就會導(dǎo)致設(shè)計(jì)的更長延時(shí)。

5. 如果想利用if語句來實(shí)現(xiàn)那些對延時(shí)要求苛刻的路徑，應(yīng)將最高優(yōu)先級給最遲到達(dá)的關(guān)鍵信號。（最小生成樹思想）。

6. 有時(shí)為了兼顧面積和速度，可以將if和case語句合用。

舉例

 1 //if-else實(shí)現(xiàn)四選一 2 module sdata_if (clk, reset, x, s, y); 3 input clk; 4 input reset; 5 input[3:0] x; 6 input [1:0] s; 7 output y; 8  9 reg y;10 always@(posedge clk)begin11 if(!reset)begin12 y<=0;13 end14 else begin15 if(s==2b00)16 y<=x[0];17 else if (s==2b01)18 y<=x[1];19 else if (s==2b10)20 y<=x[2];21 else 22 y<=x[3];23 end24 end25 endmodule

想象一下是什么電路？

就是一個(gè)四選一，需要兩位的控制信號，這個(gè)控制信號就正好是s。

 1 //case語句 2module sdata_if
    (clk, reset, x, s, y); 3 input clk; 4 input reset; 5 input[3:0] x; 6 input [1:0] s; 7 output y; 8  9 reg y;10 always@(posedge clk)begin11 if(!reset)begin12 y<=0;13 end14 else begin15 case(s)16 2b00:
    y<=x[0];17 2b01: y<=x[1];18 2b10: y<=x[2];19 2b11:
    y<=x[3];20 end21 end22 endmodule2324

實(shí)現(xiàn)電路也是類似上面的電路。

避免意外鎖存器

鎖存器在課本里學(xué)過，是用于存儲一位數(shù)據(jù)的元件，電平觸發(fā)。

其特點(diǎn)是：鎖存器在不鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出隨輸入變化；但一旦數(shù)據(jù)鎖存時(shí)，輸入對輸出不產(chǎn)生任何影響。

而我們在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)該避免無意之間產(chǎn)生這種鎖存器，否則會導(dǎo)致一些邏輯上的錯(cuò)誤。

引起意外鎖存器的原因

翻閱了很多網(wǎng)上的總結(jié)。有一些規(guī)則比較復(fù)雜，考慮到我現(xiàn)在的水平，我只記錄對初入門水平夠用且好理解的方面。后續(xù)繼續(xù)學(xué)習(xí)可以深入了解更多。

• if……else……結(jié)構(gòu)中缺少else

• case結(jié)構(gòu)中的分支沒有包含所有情況且沒有default語句。

建議

1. 如果使用if語句，最好寫上else分支；

2. 如果使用case語句，最好寫上default語句。

3. 即使需要鎖存器，也通過else分支或default分支來顯式說明。而不要利用語言特性觸發(fā)生成（因?yàn)椴豢煽兀?/p>

內(nèi)容真的好多，一時(shí)間難以完全消化...

上傳于2021年11月25日23時(shí)