FPGA之組合邏輯與時(shí)序邏輯、同步邏輯與異步邏輯的概念

組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路

數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能的不同特點(diǎn)，可以分成兩大類：一類叫做組合邏輯電路，簡稱組合電路或組合邏輯;另一類叫做時(shí)序邏輯電路，簡稱時(shí)序電路或時(shí)序邏輯。

如果數(shù)字電路滿足任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，那么該數(shù)字電路為組合邏輯電路。相反，如果數(shù)字電路任意時(shí)刻的輸出不僅取決于當(dāng)前時(shí)刻的輸入，而且還取決于數(shù)字電路原來的狀態(tài)，那么該數(shù)字電路為時(shí)序邏輯電路。例如，下圖中只由一個(gè)與門組成的電路就是一個(gè)組合邏輯電路。

對于上圖所示數(shù)字電路，無論在任何時(shí)刻，并且無論上次A、B輸入是什么情況，只要在當(dāng)前時(shí)刻輸入端口A、B同時(shí)為邏輯1時(shí)，輸出端C才會(huì)輸出邏輯1，而其他情況下輸出端C都會(huì)輸出邏輯0。由此可見符合組合邏輯電路的定義。

如果上圖中與門的兩個(gè)輸入端分別是來自一個(gè)寄存器的輸入和輸出，如下圖所示，那么這就肯定是一個(gè)時(shí)序電路。

對于上圖所示數(shù)字電路，假設(shè)寄存器中目前保存的值是邏輯1，而此時(shí)輸入端B沒有從邏輯0到邏輯1的跳變(B相當(dāng)于寄存器的時(shí)鐘信號)，設(shè)此時(shí)B為邏輯0，那么如果輸入端A為邏輯1，則C輸出邏輯1;但是如果過了一段時(shí)間后，A變?yōu)?，且隨后B的上升沿到來，那么寄存器中保持的值變?yōu)檫壿?，那么在這之后，若令輸入端A為邏輯1，B為邏輯0，則由于寄存器中保存著邏輯0值，所以C輸出邏輯0。對比前后兩種情況，A、B兩端的輸入都是邏輯1，但是C的輸出卻不同。由此可見，該數(shù)字電路的輸出并不完全由輸入決定，因此它是一個(gè)時(shí)序邏輯電路。

對比如上兩例我們可以看出，時(shí)序邏輯電路和組合邏輯電路并不是完全割裂開來的，而更像是一種包含關(guān)系，即時(shí)序邏輯電路中肯定有組合邏輯的成分存在，但組合邏輯電路中卻不可能有時(shí)序邏輯的成分存在。由此可見，只要加以恰當(dāng)?shù)南拗?，時(shí)序邏輯電路甚至可以完全模擬組合邏輯電路的功能，例如查找表LUT。FPGA中用LUT來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，但是LUT本身是不包含任何功能的，在FPGA上電或配置的時(shí)候?qū)ζ渲械拇鎯d體進(jìn)行相關(guān)設(shè)定的賦值，然后LUT由于記住了這個(gè)賦值設(shè)定，才能模仿各種各樣的組合邏輯功能。由于FPGA一般都是基于SRAM工藝的，因此FPGA中的LUT不太可能是基于多路選擇器和一系列到電源和地的熔絲組成，如果該查找表是由ROM、RAM或者寄存器等實(shí)現(xiàn)的，那么它也是有記憶的，只不過在整個(gè)電路工作期間，它不會(huì)改變自己的記憶罷了。所以，我們可以認(rèn)為時(shí)序邏輯電路是有記憶的，而組合邏輯電路是無記憶的。有記憶的可以模仿無記憶的，而無記憶的卻不能模仿有記憶的。

同步邏輯電路與異步邏輯電路

基于FPGA的設(shè)計(jì)幾乎都是時(shí)序邏輯電路，極少會(huì)有設(shè)計(jì)純組合邏輯電路的情況。記憶性賦予時(shí)序邏輯電路更多的功能和更豐富的表達(dá)，因此，時(shí)序邏輯電路在FPGA的設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。對于時(shí)序邏輯，按信號間關(guān)系來看，又可分為同步時(shí)序邏輯和異步時(shí)序邏輯，簡稱同步邏輯和異步邏輯。

時(shí)序邏輯電路中最關(guān)鍵的就是驅(qū)動(dòng)各個(gè)記憶元素(例如寄存器、RAM甚至鎖存器等)進(jìn)行記憶動(dòng)作的時(shí)鐘信號。通常，我們認(rèn)為只被一個(gè)時(shí)鐘信號驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)叫做同步時(shí)序邏輯。這是因?yàn)樗杏洃浽囟荚诒煌粋€(gè)時(shí)鐘信號驅(qū)動(dòng)，那么它們的輸出都會(huì)同時(shí)變化，所以它們對數(shù)字電路的影響是同步的。例如下圖：

不過這個(gè)定義還有些狹隘，廣義的同步時(shí)序邏輯概念中，允許數(shù)字電路中有多個(gè)時(shí)鐘存在，但是這些時(shí)鐘之間應(yīng)該有著固定的因果關(guān)系，又或者它們所驅(qū)動(dòng)的記憶單元在電路上是完全隔離的。對于第一種情況：如果多個(gè)時(shí)鐘信號之間有固定的因果關(guān)系的話，那么即使它們對電路的影響不是完全同時(shí)的，但可以根據(jù)時(shí)鐘之間的因果關(guān)系推斷出這種時(shí)間上的固定誤差，從而電路狀態(tài)的變化也是完全可預(yù)期的，因此可以認(rèn)為是同步。例如

如果多個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的記憶單元之間完全是隔離的，那么其實(shí)它們就是多個(gè)同步時(shí)序邏輯電路的簡單集合體，因此也是同步的。例如：

那么從廣義同步時(shí)序邏輯電路的概念出發(fā)，凡是不符合的即屬于異步時(shí)序邏輯電路。不過這樣的定義顯得太過偷懶，那么這里總結(jié)一下異步時(shí)序邏輯的特點(diǎn)，給出異步時(shí)序邏輯電路的概念：如果時(shí)序邏輯電路存在至少一個(gè)這樣的組合邏輯功能塊——它的輸入、輸出端口不全來自或?qū)胍粋€(gè)時(shí)鐘或若干個(gè)具有因果關(guān)系的時(shí)鐘所驅(qū)動(dòng)的記憶元素，那么該電路為異步時(shí)序邏輯電路。例如，下圖組合邏輯(一根連線也是組合邏輯，可看成緩沖門)的輸入由clk1時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的寄存器提供，輸出卻給了clk2驅(qū)動(dòng)的寄存器。

或下圖，與門的輸入來自不同的時(shí)鐘所驅(qū)動(dòng)的寄存器。

或下圖，與門的兩個(gè)輸入一個(gè)來自時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的寄存器，一個(gè)來自純組合的輸入端口。

對比同步邏輯和異步邏輯的概念，我們可以了解到它們也不是完全割裂開來的，其實(shí)也是一種包含關(guān)系。即異步邏輯中肯定有同步邏輯的成分在，但是同步邏輯中不可能有異步的成分在。關(guān)于異步時(shí)序邏輯電路的使用一定要盡量避免，如果不能避免一定要非常的謹(jǐn)慎和小心。

審核編輯：湯梓紅

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