RTL時序邏輯的綜合要求

數字門級電路可分為兩大類：組合邏輯和時序邏輯。鎖存器是組合邏輯和時序邏輯的一個交叉點，在后面會作為單獨的主題處理。

組合邏輯描述了門級電路，其中邏輯塊的輸出直接反映到該塊的輸入值的組合，例如，雙輸入AND門的輸出是兩個輸入的邏輯與。如果輸入值發(fā)生變化，輸出值將反映這一變化，組合邏輯的RTL模型需要反映這種門級行為，這意味著邏輯塊的輸出必須始終反映該邏輯塊當前輸入值的組合。

SystemVerilog有三種在可綜合RTL級別表示組合邏輯的方法：連續(xù)賦值語句、always程序塊和函數。接下來幾篇文章將探討每種編碼風格，并推薦最佳實踐編碼風格。

時序邏輯概念

時序邏輯描述了一種重要的門級電路，其中輸出反映了一個由門的內部狀態(tài)存儲的值。只有特定的輸入變化，如時鐘沿，才會導致存儲的變化。對于D觸發(fā)器，時鐘輸入的特定邊沿將改變觸發(fā)器的存儲，但D輸入值的變化并不直接改變存儲。相反，特定的時鐘沿會使觸發(fā)器的內部存儲更新為時鐘沿的D輸入值。

時序邏輯的RTL模型需要反映這種門級行為，也就是說，邏輯塊的輸出必須在一個或多個時鐘周期內存儲一個值，并且只為特定的輸入變化而更新存儲的值，而不是所有輸入變化。在RTL層面，一個always或always_ff過程被用來模擬這種時序行為。本系列文章主要研究：

RTL時序邏輯的綜合要求

always_ff 時序邏輯建模

時序邏輯時鐘到Q的傳播和建立/保持時間

使用非阻塞賦值來模擬時鐘到Q的傳播效應

同步和異步復位

多個時鐘和時鐘域交叉（CDC）。

在時序邏輯RTL模型中使用單元延時

建立有限狀態(tài)機（FSM）模型

對Mealy和Moore FSM架構進行建模

狀態(tài)解碼器，并使用獨熱碼的獨特情況

對內存設備進行建模，如RAM

觸發(fā)器和寄存器的RTL模型

觸發(fā)器和寄存器被用來在一段時間內存儲信息。術語觸發(fā)器和寄存器經常被當作同義詞使用，盡管它們在加載和復位的方式上可能存在差異。觸發(fā)器是一種存儲元件，在時鐘沿上改變存儲的狀態(tài)。各種各樣的硬件應用都可以由觸發(fā)器構建，如計數器、數據寄存器、控制寄存器、移位寄存器和狀態(tài)寄存器。寄存器可以由任何類型的數據存儲設備構建，包括觸發(fā)器、鎖存器和RAM。大多數硬件寄存器是由觸發(fā)器建立的。

時序邏輯觸發(fā)器和寄存器的RTL模型是用一個帶有靈敏度列表的always或always_ff過程建模的，該過程使用時鐘邊沿來觸發(fā)過程的評估。一個RTL觸發(fā)器的例子是：

一般來說，RTL模型被寫成在時鐘輸入的正邊沿觸發(fā)觸發(fā)器。所有的ASIC和FPGA器件都支持在時鐘的上升沿（正邊沿）觸發(fā)的觸發(fā)器。一些ASIC或FPGA器件還支持在時鐘的下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器。觸發(fā)器和由觸發(fā)器組成的寄存器可以是不可復位或可復位的。復位可以是同步的，也可以是與時鐘觸發(fā)不同步的。一些觸發(fā)器也有一個異步復位輸入。

在門級設計中，有幾種類型的觸發(fā)器，例如。SR, D,JK和T觸發(fā)器。RTL模型可以從這個實現(xiàn)細節(jié)中抽象出來，并被寫成通用的觸發(fā)器。

在RTL建模中，重點是設計功能，而不是設計實現(xiàn)。綜合編譯器的作用是將抽象的RTL功能描述映射到具體的門級實現(xiàn)。大多數ASIC和FPGA器件使用D型觸發(fā)器，所以本文假設綜合編譯器從RTL觸發(fā)器中推斷出的觸發(fā)器類型。

RTL時序邏輯的綜合要求

當always程序的敏感度列表包含關鍵字posedge或negedge時，綜合編譯器將嘗試推斷出一個觸發(fā)器。然而，綜合編譯器還要求滿足以下額外的代碼限制，以便推斷出一個觸發(fā)器。

程序靈敏度列表必須指定時鐘的哪個邊沿觸發(fā)更新觸發(fā)器的狀態(tài)（posedge或negedge）。

靈敏度列表必須指定任何異步設置或復位信號的前緣（posedge或negedge）（同步設置或復位不在靈敏度列表中列出）。

除了時鐘、異步設置或異步復位外，靈敏度列表不能包含任何其他信號，如D輸入或使能輸入。

該過程應該在零仿真時間內執(zhí)行。綜合編譯器會忽略#延遲，并且不允許@或等待時間控制。這條規(guī)則的一個例外是使用分配單元內的延遲（后續(xù)詳解）。

在時序邏輯程序中賦值的變量不能被任何其他程序或連續(xù)賦值所賦值（允許在同一程序中多次賦值）。

在一個時序邏輯程序中，一個被賦值的變量不能有阻塞和非阻塞的混合賦值。例如，復位分支不能用阻塞賦值建模，而時鐘分支則用非阻塞賦值建模。

審核編輯：劉清