數(shù)字電路中如何避免產(chǎn)生不必要的鎖存器方法解析 - 全文

　　數(shù)字電路簡介：

　　用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路?，F(xiàn)代的數(shù)字電路由半導(dǎo)體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。

　　數(shù)字電路特點(diǎn)：

　　1、 同時具有算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能

　　數(shù)字電路是以二進(jìn)制邏輯代數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，使用二進(jìn)制數(shù)字信號，既能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算又能方便地進(jìn)行邏輯運(yùn)算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合于運(yùn)算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應(yīng)用。

　　2、 實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠

　　以二進(jìn)制作為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯電路，可靠性較強(qiáng)。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

　　3、 集成度高，功能實(shí)現(xiàn)容易

　　集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點(diǎn)之一。電路的設(shè)計(jì)、維修、維護(hù)靈活方便，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨著小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)級。電路的設(shè)計(jì)組成只需采用一些標(biāo)準(zhǔn)的集成電路塊單元連接而成。對于非標(biāo)準(zhǔn)的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實(shí)現(xiàn)任意的邏輯功能。

　　數(shù)字電路的劃分：

　　1.按功能分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

　　前者在任何時刻的輸出，僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而與電路過去的狀態(tài)無關(guān)，它們不具有記憶功能。常用的組合邏輯器件有加法器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等。后者在任何時候的輸出，不僅取決于電路此刻的輸入狀態(tài)，而且與電路過去的狀態(tài)有關(guān)，它們具有記憶功能。

　　2.按結(jié)構(gòu)分為分立元件電路和集成電路。

　　前者是將獨(dú)立的晶體管、電阻等元器件用導(dǎo)線連接起來的電路。后者將元器件及導(dǎo)線制作在半導(dǎo)體硅片上，封裝在一個殼體內(nèi)，并焊出引線的電路。集成電路的集成度是不同的。

　　數(shù)字電路中如何避免產(chǎn)生不必要的鎖存器方法解析：

　　1. if……else……結(jié)構(gòu)中缺少else

　　先看一個實(shí)際的例子：

　　用quartus綜合一下這兩個電路，看看產(chǎn)生的RTL圖是怎樣的：

　　左邊的電路：

　　右邊的電路：

　　由RTL視圖可以直觀的看出，左邊的電路沒有生成鎖存器，而右邊的電路生成了一個我們不想要的鎖存器（q1$latch）。左邊的電路是時序邏輯，生成觸發(fā)器，而觸發(fā)器是有使能端（en）的，使能端無效時就可以保存數(shù)據(jù)，無需鎖存器。右邊的電路是組合邏輯，在en為低電平時，輸出q1要保持不變，而組合邏輯沒有存儲元件，只能生成鎖存器來保持?jǐn)?shù)據(jù)。所以在時序邏輯中，不完整的 if…else… 結(jié)構(gòu)并不會生成鎖存器，而組合邏輯中不完整的 if…else… 結(jié)構(gòu)就會生成鎖存器。為了避免我們設(shè)計(jì)的組合邏輯中出現(xiàn)不想要的鎖存器，在使用 if…else… 結(jié)構(gòu)時一定要寫完整。把剛才例子中右邊的電路寫完整，并查看其RTL視圖如下：

　　寫完整后，就沒有生成鎖存器，而是生成了一個二選一的選擇器，這正是我們想要設(shè)計(jì)的。

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

　　case結(jié)構(gòu)中一般要加上default語句，以保證出現(xiàn)意外情況也可以作出相應(yīng)的反應(yīng)。如果沒有加default并且case分支不完整，當(dāng)出現(xiàn)case分支中沒有列出的情況時，電路狀態(tài)保持原來的狀態(tài)不變，于是就會生成鎖存器來保存狀態(tài)，如下圖的電路所示：

　　圖中case分支中只寫了（se=0）的情況，而（se=1）的情況未給出，且沒有寫default，于是當(dāng)（se=1）時，q1保持原來的值不變，這樣就產(chǎn)生了鎖存器（q1$latch）。

　　如果將case分支補(bǔ)全，或者加上default語句，則如下圖所示：

　　補(bǔ)全case分支后，就不會生成鎖存器了。

　　同樣，只有在組合邏輯中的case結(jié)構(gòu)才有可能產(chǎn)生鎖存器，而在時序邏輯電路中，即使case結(jié)構(gòu)中的分支不完整，也不會產(chǎn)生鎖存器，如下圖所示：

　　實(shí)際上，在時序邏輯中，由于觸發(fā)器具有鎖存數(shù)據(jù)的功能，所以不會生成鎖存器，鎖存器只會在組合邏輯電路中產(chǎn)生。

　　因此，在設(shè)計(jì)組合邏輯電路時，要注意將 if…else… 結(jié)構(gòu)中的else寫完整，case結(jié)構(gòu)中一定要加上default語句，這樣可以減少綜合出鎖存器的可能性。