高質(zhì)量VerilogHDL描述方法

剛剛初學(xué)VerilogHDL的時(shí)候，感覺語言風(fēng)格很像C語言，編程也是完全用軟件的思想去寫，但是使用過FPGA和學(xué)習(xí)了數(shù)集之后，才醒悟出何為“硬件思想”，本節(jié)主要介紹一下西交邱志雄老師一門課中的VerilogHDL描述方法。

VerilogHDL可綜合的四大法寶：always、if-else、case、assign ，本文將圍繞這四大法寶來講述。

有可綜合的法寶，那么可綜合風(fēng)格禁止出現(xiàn)的情況：function、for、fork-join、while等。

** If-else的硬件映射及優(yōu)化**

01

if-else的映射硬件結(jié)構(gòu)是多路選擇器Multiplexing Hardware（簡(jiǎn)稱Mux）。

我們來看看上面的第一段代碼，我們心中要出現(xiàn)該代碼描述的電路，該電路由兩個(gè)加法器和一個(gè)Mux組成。

接下來我們看第二段代碼：

該段代碼描述的電路應(yīng)該是兩個(gè)Mux和一個(gè)加法器組成：

兩段代碼描述的功能都一樣，但是電路面積卻不一樣，第二段代碼描述的電路少了一個(gè)加法器多了一個(gè)Mux，在同一個(gè)工藝庫下，二輸入Mux的晶體管數(shù)量比一位半加器少，因此第二段代碼描述的電路減少了硬件的面積。

從面積的角度看，第二段代碼更優(yōu)，但是真的可以說第二段代碼比第一段代碼好嗎？很顯然，一般這么問，答案都為否定。

我們從傳播延遲的角度再來分析一下這兩個(gè)電路：

1、左圖的數(shù)據(jù)通道的延遲是一個(gè)加法器和一個(gè)Mux，控制通道的延遲是一個(gè)Mux。

2、右圖的數(shù)據(jù)通道的延遲依然是一個(gè)加法器和一個(gè)Mux，控制通道的延遲卻是一個(gè)加法器和一個(gè)Mux。

很顯然第二段代碼描述電路（右圖）的控制通道延遲比較大，如果Aflag到來的延遲比較晚的話，那么第二種電路的性能就會(huì)比第一種差。

綜上所述，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要根據(jù)輸入約束，再來選擇兩種不同的設(shè)計(jì)：是先加后選，還是先選后加。

** If的優(yōu)先級(jí)問題**

02

多if語句具有優(yōu)先級(jí)的判斷結(jié)構(gòu)，即輸入信號(hào)是有不平等關(guān)系的，最后一級(jí)選擇信號(hào)具有最高優(yōu)先級(jí)，具有優(yōu)先級(jí)的多選結(jié)構(gòu)會(huì)消耗組合邏輯，而且這種寫法比較亂，一般不推薦這種寫法。（case語句是無優(yōu)先級(jí)的）

但是在某些設(shè)計(jì)中，有些信號(hào)要求先到達(dá)（如關(guān)鍵使能信號(hào)、選擇信號(hào)等），而有些信號(hào)需要后到達(dá)（如慢速信號(hào)、有效時(shí)間較長(zhǎng)的信號(hào)等），此時(shí)則需要用if...if... 或者 if...else if...結(jié)構(gòu)，一般最高優(yōu)先級(jí)給最遲到的關(guān)鍵信號(hào)。

電路之大敵——Latch

03

latch由電平觸發(fā)，非同步控制，所以非常 容易產(chǎn)生毛刺（glitch） ，這是很大的危害，這對(duì)于下一級(jí)電路是極其危險(xiǎn)的，而且靜態(tài)時(shí)序分析會(huì)變得極為復(fù)雜，因此只要能用D觸發(fā)器的地方就不用latch。

易引入latch的途徑：使用不完備的條件判斷語句，如if缺少else，case缺少default。

邏輯復(fù)制 均衡負(fù)載

04

通過邏輯復(fù)制，降低關(guān)鍵信號(hào)的扇出，進(jìn)而降低該信號(hào)的傳播延遲，提高電路的性能。

資源共享 減小面積

05

如果電路中存在較多的公共單元，可以通過資源共享，來減小電路的面積，但是一般來說，共享會(huì)降低電路性能，所以還是要根據(jù)性能和面積而進(jìn)行取舍。

邏輯重組 降低延時(shí)

06

在電路設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)信號(hào)的延時(shí)，對(duì)這些資源進(jìn)行順序的重排，以降低傳播延時(shí)。如下圖所示，信號(hào)A延遲比較高，可以把它盡可能地放到后面隱藏其延遲。

邏輯賦值

07

在時(shí)序電路中必須使用非阻塞賦值（<=）， 組合邏輯電路必須使用阻塞賦值（=）。