從電路到Verilog | Verilog不難學(xué)，聊聊時序邏輯那些事兒

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施主們辛苦了，學(xué)習(xí)語言一貫是一個苦差事。學(xué) Verilog 還算好的，到底還是人工語言，有規(guī)律，還有《數(shù)字電子技術(shù)》這門課墊底（沒學(xué)好這門功課的同學(xué) ---- 學(xué)好與否，與您老的考試成績無關(guān) ---- 趕快回去找本教材好好看看）。如果是學(xué)習(xí)自然語言，那就更麻煩了。除了記憶還是記憶，這就是學(xué)習(xí)的規(guī)律，沒有捷徑的。

前面講解了組合邏輯的事情，從今天起老衲來說說時序邏輯的端倪。

在數(shù)字電路理論中，時序邏輯電路是指電路任何時刻的穩(wěn)態(tài)輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，還與前一時刻輸入形成的狀態(tài)有關(guān)。 這跟組合邏輯電路相反，組合邏輯的輸出只會跟目前的輸入成一種函數(shù)關(guān)系。 換句話說，時序邏輯擁有儲存器件（內(nèi)存）來存儲信息，而組合邏輯則沒有。換句話說，是否存在存儲器件是判斷一個電路是否是時序邏輯電路的關(guān)鍵。

時序邏輯按照其中信號變化的時機，又分為同步時序和異步時序兩種。

同步電路是一種由定時器產(chǎn)生的時鐘信號驅(qū)動的電路。在一個同步電路中，它的各個期間中，邏輯信號的每一個變化都是同時的。所有信號變化都服從一個特別的同步信號，稱為“時鐘”。不管邏輯的規(guī)模有多大，都假設(shè)對于時鐘信號而言，其他邏輯部分的變化的時延是微小的。所以，整個電路的行為 -- 無論任何一個信號—都可以在任何速度上精確地被預(yù)見。在實際電路中，時鐘源到達各個觸發(fā)器的網(wǎng)線長度不同，因此需要使用時鐘緩存單元來盡量降低時鐘偏移的影響。

異步電路邏輯更加體現(xiàn)邏輯的本質(zhì)，但是由于它的彈性關(guān)系，其也是設(shè)計上困難度最高的。 最基本的儲存組件是鎖存器。 鎖存器可以在任何時間改變它的狀態(tài)，依照其他的鎖存器信號的變動，他們新的狀態(tài)就會被產(chǎn)生出來。 異步電路的復(fù)雜度隨著邏輯級數(shù)的增加，而復(fù)雜性也快速的增加，因此他們大部分僅僅使用在小的應(yīng)用。

在一般的設(shè)計中，會采用同步電路進行設(shè)計。這是方便分析和設(shè)計的要求，一般設(shè)計人員的大腦只能把握這樣的范圍了。在自己可以控制的范圍內(nèi)設(shè)計，這是一個行之有效的策略。

很多情況下，目前大規(guī)模的數(shù)字電路系統(tǒng)里面，對應(yīng)不同功能部分，可能存在多個時鐘。但是，每一個部分一般由一個時鐘驅(qū)動，這個范圍內(nèi)可以視為同步電路。但是，因為不同時鐘的頻率與相位的差別，不同部分之間的信號有無法滿足“邏輯信號的每一個變化都是同時”的要求。這是一種特殊的，但是常用的異步電路邏輯。對于這種電路后文書將會詳細(xì)介紹，但是這種電路的分析過程倒是更類似于同步邏輯。

1. 時鐘啟動，節(jié)拍控制
在時序電路里面，再強調(diào)時鐘的作用也不為過的。一般而言，在一個系統(tǒng)里面只會采用一種類型的器件。這樣設(shè)計起來簡單，而且不會存在不能實現(xiàn)的情況。最常用的器件呢，就算是 D 觸發(fā)器了。這個器件使用起來，類似于對于信號的采樣，最簡單不過。
D 觸發(fā)器的電氣符號里面，一般常用的有三組輸入信號：數(shù)據(jù)輸入 D、復(fù)位 / 初值輸入 S 和 R 以及時鐘信號 CLK。忽略掉復(fù)位 / 初值輸入 S 和 R 的影響，D 觸發(fā)器的真值表如表 1。其中，Qnext 為下一個有效時鐘沿的 Q 的值。從信號處理的角度，可以將 D 觸發(fā)器理解為在時鐘有效沿對于輸入采樣，并且延遲一個時鐘節(jié)拍輸出的單元。D 觸發(fā)器的時序圖如圖 1 所示。

表 1 D 觸發(fā)器的真值表

圖 1 D 觸發(fā)器的時序圖

正因為 D 觸發(fā)器有延時的作用，有時候為了一些相關(guān)的數(shù)據(jù)到達時間對齊，會使用 D 觸發(fā)器對一些先到達的數(shù)據(jù)的延時操作。注意，D 觸發(fā)器能夠完成的時延一定是時鐘周期的整數(shù)倍。這個時候，工程上經(jīng)常說的術(shù)語是“打 X 拍子”，X 是一個整數(shù)。這個嚴(yán)格來說就是延遲 X 個時鐘周期的意思。打一拍子就用一個 D 觸發(fā)器，打兩拍子就用兩個 D 觸發(fā)器串聯(lián)，以此類推。打多個拍子的代碼實現(xiàn)方法，會在下一講中介紹，這里僅僅給大伙兒建立一個概念。

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作為一個簡單的例子，老衲推薦計數(shù)器。計數(shù)器，很多人見過：大家坐飛機的時候，進門前，空姐手里拿的，見一個人“咯嗒”按一下，上面的數(shù)字加一。這個計數(shù)器，用來統(tǒng)計最終進入飛機的人數(shù)的，以備后用（某家就不再多說了，不能烏鴉嘴。方丈告誡我：嘴下留德，勝造七級浮屠）。這里的計數(shù)器，功能和空姐手里的差不多，只不過她那是機械的，這里的是電子的。她那里的按鍵，在這里是使能信號“enable”。計數(shù)器的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其中加入了溢出保護機制。其代碼如例 1，其中給出了帶溢出保護和不帶溢出保護的兩套代碼。

圖 2 計數(shù)器的結(jié)構(gòu)圖

上圖中沒有給出時鐘 CLK 和復(fù)位 RST 信號的處理，這是一般時序邏輯結(jié)構(gòu)圖的慣例。這兩個信號的處理太一般了，所以被偷懶地省略了。

【例 1】計數(shù)器代碼

不具有溢出保護的功能的計數(shù)器，在實際工程中是有問題的。就按例子中 8 比特寬度的計數(shù)寬度為例，其最大計數(shù)值是 255。如果來了 256 個乘客，沒有溢出保護的代碼會顯示計數(shù)值為 0，這顯然會帶來誤解。

還有代碼中利用了組合操作“{ }”來簡化的書寫，也請讀者注意這個技巧。

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2. 循環(huán)串接，鏈狀傳遞
最簡單的 D 觸發(fā)器組成的電路是什么？那一定是只有一個 D 觸發(fā)器的、延遲一個時鐘節(jié)拍的電路了。這個老和尚上一講已經(jīng)介紹了，現(xiàn)在貧道在深入一步。“稍稍難一點的電路是什么呢？”參考圖 3.1 里面的一般化的數(shù)字邏輯系統(tǒng)架構(gòu)，去掉各種組合邏輯之后，就是一個非常單調(diào)的、也是很簡單的 D 觸發(fā)器鏈了。聰明！這就是這一節(jié)給大家介紹的第一種千層面：只有面。

這樣的一個 D 觸發(fā)器鏈，在信號處理上也叫作延時鏈，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3 延時鏈的結(jié)構(gòu)

大家會發(fā)現(xiàn)只是 4 個 D 觸發(fā)器的例子，代碼已經(jīng)很長了。那么如果是很多 D 觸發(fā)器呢，例如 16 個 D 觸發(fā)器或者 32 個 D 觸發(fā)器，那不就成了累傻孩子的活計了嗎？這里就要介紹唯一可以被綜合成電路的循環(huán)了：常數(shù)循環(huán)次數(shù)的 for 循環(huán)。

關(guān)鍵詞 for 的一般形式是：
for (variable = start_value; end_condition; circle_express)
begin
??? operations
end

其中，variable 是一個變量名；start_vlue 是變量的初始值；end_condition 是循環(huán)的條件；circle_expree 是每個循環(huán)的步進操作；operations 是每次循環(huán)的操作。要想這個循環(huán)能被綜合，for 的循環(huán)次數(shù)必須確定，。捎帶說明一下，最常見的是第一行的形式。

例 2 里面給出了 4 級觸發(fā)器鏈用 for 實現(xiàn)的代碼。只要改變里面的常數(shù)，就是 1024 級 D 觸發(fā)器鏈也不難實現(xiàn)。

【例 2】4 級 D 觸發(fā)器鏈的 for 實現(xiàn)
module DFF_link_4_for
? (
??? input CLK, input RST,
??? input input_data,
??? output output_data
? );
?
//Load other module(s)

//Definition for Variables in the module
reg dff[3:0];
integer loop;

//Logical
assign output_data = dff[3];

always @(posedge CLK, negedge RST)
begin
??? if (!RST)
??? //Reset
??? begin
?????? for (loop = 0; loop <= 3; loop = loop + 1)
?????? begin
??????? dff[loop] <= 1'b0;
?????? end
??? end
??? else
??? begin
??? dff[0]<= input_data;
??? for (loop = 1; loop <= 3; loop = loop + 1)
??? begin
??????? dff[loop] <= dff[loop - 1];
???? end
??? end
end

endmodule

看到這里，很多人會把 Verilog 里面的 for 和其他程序語言里面的 for 混淆掉。這是一個十分嚴(yán)重的錯誤。循環(huán)變量在電路的哪里體現(xiàn)呢？任憑您老“眼睛瞪的像銅鈴”，也找不到半分 loop 的影子吧？實話告訴您，這個循環(huán)變量是在綜合里面起作用的，告訴綜合軟件要重復(fù)幾遍 for 里面的操作。

如果大伙兒覺得一串 D 觸發(fā)器只能做個時延玩玩，那就錯了。這里貧道給諸位一個例子：不用 RAM 來存儲一組數(shù)據(jù)。當(dāng)然了，這個存儲也是有代價的。數(shù)據(jù)不能像 RAM 一樣隨機讀寫，只能按照一定的時序讀取。

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3. 各取所長，分工合作
完成一個組合邏輯的操作，會有時延嗎？這里的時延是指從輸入信號穩(wěn)定到獲得正確結(jié)果的時間間隔。對于行為仿真，宗師和黨魁說的沒錯，還真是沒有時延的。但是到了時序仿真這里，就老母雞變鴨了，結(jié)果里面明明白白地出現(xiàn)了時延。有時延倒是叫一般人感覺靠譜一點：天下沒有免費的午餐。這個時延包含兩個部分，也就是前文書說的可以優(yōu)化的兩個部分：降低布局布線造成的時延（DW）或者降低組合邏輯的時延（DC）。叫大伙兒建立一個概念：做任何事情都是要代價的，這才是天道。

回憶一下數(shù)電課程里面介紹過的 4 比特加法器鏈。假設(shè)：每個 1 比特的加法環(huán)節(jié)需要的處理時間是 5 ns（當(dāng)然，實際電路如果這么慢，估計老夫敲一個字母計算機都要等上一分鐘來處理了。這個雖然不符合實際，但是計算方便啊。大伙兒就別抬杠了。）。那么，4 個 1 比特加法器環(huán)節(jié)，一個 4 比特加法器的處理時間應(yīng)該是 20 ns 了。換句話說，在 20 ns 里面如果輸入輸出有變化，那么結(jié)果肯定有問題。再換句話說，這個 4 比特加法器允許輸入數(shù)據(jù)的變化周期大于 20 ns，對應(yīng)最高的數(shù)據(jù)變化頻率為 50 MHz。注意這里還都是組合邏輯，不存在時鐘和時鐘頻率的概念。

如何能夠加快數(shù)據(jù)變化的頻率呢？

首先，“偷工減料”是不可取的。這位說：4 比特加法器是 50 MHz，那么 2 比特加法器就提高到 100 MHz 了。話是沒錯，但是這個比特位寬的減少，卻不是您老說了算的。這個是一對算法什么的工程師計算、仿真的結(jié)果，減少了系統(tǒng)性能肯定受影響。

其次，“忍經(jīng)”在這里唱不得。這位又說了：50 MHz 也不慢了，忍了吧。這話也沒錯，但是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入速度，是依賴于外部要求的，也不能變。

最后，依賴于模塊結(jié)構(gòu)的變化以及時序控制的引入，可以解決這個問題?，F(xiàn)在我們就開始這個過程。這里會很詳細(xì)的介紹設(shè)計過程，啰嗦是啰嗦了一點，但是利于大伙兒把握和以后舉一反三。忍了吧！

忽略全加器和半加器的區(qū)別，圖里面一共有四個一樣的 1 比特加法單元。一個簡單、實用的想法是把這些加法器都隔離開，這樣每次運算的時間就是 5 ns 了。那么自然而然的問題來了：用什么器件來隔離呢？又是一個簡單、實用的想法：D 觸發(fā)器。這個就是基本的思路了。這就是所謂流水線的思想了。

To be continued!

后面內(nèi)容更加精彩，大伙兒明晚早來占位！

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：溫故而知新：從電路里來，到 Verilog 里去！

之二：Verilog 編程無法一蹴而就，語言層次講究“名正則言順”

之三：數(shù)字邏輯不容小窺，電路門一統(tǒng)江湖

之四：Verilog 語言：還真的是人格分裂的語言