溫故而知新：從電路里來，到Verilog里去！

?

自打說了《玩轉(zhuǎn) IP Core》和寫了《IP 核芯志》之后，老衲就沉淪了，沉迷于“秋風(fēng)功”修煉。俗話說：“坐吃山空”，見到荷包漸漸干癟，和尚我不得不再次出山了。施主們多多捧場為好。本想說說理論的事情，奈何在下道行還淺，就只得簡單的講講 Verilog 語言這個(gè)事情了，大伙兒見諒。

這個(gè)語言本不難，道和歪嘴念經(jīng)的太多，念著念著就成了 C 語言的附屬了，這個(gè)著實(shí)的大謬也?？纯凑讜念}目便知：從電路里來，到 Verilog 里去！

老僧一貫不喜歡說古，對(duì)于 Verilog 語言的歷史，施主只需要知道幾個(gè)事實(shí)：

1）1983 年誕生，此時(shí) EDA 設(shè)計(jì)尚處于幼年，難免有很多誤區(qū)。所以，Verilog 語言里面也存在許多“擰巴”的地方。
2）1995 年，首次被 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化，這就是所謂的 Verilog 95 版本。
3）2001 年，IEEE 對(duì)于 Verilog 重大更新，Verilog? 2001 面世。
4）2005 年，IEEE 又進(jìn)行了細(xì)微更正，出品了 Verilog 2005。
本書里面介紹了 2001 版本，也就是應(yīng)用最廣、軟件兼容性最強(qiáng)的版本。

1. 模塊為本，鏈接系統(tǒng)
在概念設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員總是將復(fù)雜的功能劃分為簡單的功能，模塊是提供每個(gè)簡單功能的基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員可以采取“自頂向下”的思路，將復(fù)雜的功能模塊劃分為低層次的模塊。這一步通常是由系統(tǒng)級(jí)的總設(shè)計(jì)師完成，而低層次的模塊則由下一級(jí)的設(shè)計(jì)人員完成。自頂向下的設(shè)計(jì)方式有利于系統(tǒng)級(jí)別層次劃分和管理，并提高了效率、降低了成本。在實(shí)際代碼編寫過程中，會(huì)采用“自下向上”的工作流程。也就是先從前面劃分好的最下層的模塊開始寫作代碼以及完成相應(yīng)的單元測試，逐次聯(lián)線打包和測試，直至完成最高層模塊及其測試。這個(gè)“自頂向下”再“自下向上”的過程，是項(xiàng)目管理研究的范疇，這里稍帶提一下。

Verilog 語言被設(shè)計(jì)用來描述復(fù)雜的硬件電路。由于上述項(xiàng)目管理模式的普遍采用，使用 Verilog 描述硬件的基本設(shè)計(jì)單元是模塊（module）。構(gòu)建簡單的子電路，然后通過子電路的連接形成較為復(fù)雜的上層電路，最終達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。實(shí)際的自電路元件，Verilog 語言能夠提供輸入、輸出端口，可以實(shí)例調(diào)用其他模塊，也可以被其他模塊實(shí)例調(diào)用。模塊中可以包括組合邏輯部分、過程時(shí)序部分。

一個(gè)模塊如圖 1 所示，模塊一般用方框表示，但是也有例外。圖中，方框內(nèi)的名字為模塊名，指向模塊的帶肩頭線表示輸入信號(hào)，由模塊向外的箭頭線表示模塊的輸出信號(hào)。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)上面一般標(biāo)記信號(hào)名稱。例如，圖 1.3 中就是一個(gè)具有三個(gè)輸入信號(hào)（“輸入 11”，“輸入 12”和“輸入 13”）和兩個(gè)輸出信號(hào)（“輸出 11”和“輸出 12”）的模塊，模塊被命名為“模塊 1”。

圖 1 模塊的圖例

模塊之間的連接如圖 2 所示，如果模塊的輸出為另一個(gè)模塊的輸入，在圖中會(huì)合并兩個(gè)聯(lián)線（也就是說，用一個(gè)從第一個(gè)模塊指向第二個(gè)模塊的帶箭頭線來表示）。例如，圖 2 中“模塊 1”的兩個(gè)輸出連接到了“模塊 2”的兩個(gè)輸入。沒有在模塊之間連接的信號(hào)，則表示該信號(hào)是外部信號(hào)，例如“模塊 2”的輸入 3 信號(hào)。

圖 2 模塊之間的連接

多個(gè)模塊可以打包為一個(gè)上層的模塊，如圖 3 所示。圖中，把圖 3 里面的兩個(gè)模塊打包成為了一個(gè)上層模塊：“模塊 3”。生成的上層模塊的輸入和輸出一定包含低層模塊之間未連接的信號(hào)，但是也可以包括低層模塊之間的連接信號(hào)。

圖 3 模塊打包為上層模塊

具體這些模塊設(shè)計(jì)、模塊連接以及模塊打包如何完成，后文書自有交待。

?

2. 電路設(shè)計(jì)，二虎擋道
在任何一本《數(shù)字電子技術(shù)》教材的某個(gè)犄角旮旯，總有類似下面的論述。

“組合邏輯電路中，同一信號(hào)經(jīng)不同的路徑傳輸后，到達(dá)電路中某一會(huì)合點(diǎn)的時(shí)間有先有后，這種現(xiàn)象稱為邏輯競爭，而因此產(chǎn)生輸出干擾脈沖的現(xiàn)象稱為冒險(xiǎn)。

競爭（Competition）定義為：在組合邏輯電路中，某個(gè)輸入變量通過兩條或兩條以上的途徑傳到輸出端，由于每條途徑延遲時(shí)間不同，到達(dá)輸出門的時(shí)間就有先有后，這種現(xiàn)象稱為競爭。把不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出的競爭的現(xiàn)象稱為非臨界競爭。把產(chǎn)生暫時(shí)性的或永久性錯(cuò)誤輸出的競爭現(xiàn)象稱為臨界競爭。

冒險(xiǎn)（Risk）定義為：信號(hào)在器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時(shí)，都有一定的延時(shí)。延時(shí)的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時(shí)還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時(shí)間。由于存在這兩方面因素，多路信號(hào)的電平值發(fā)生變化時(shí)，在信號(hào)變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，并不是同時(shí)變化，往往會(huì)出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)稱為‘毛刺’。如果一個(gè)組合邏輯電路中有‘毛刺’出現(xiàn)，就說明該電路存在冒險(xiǎn)。

競爭冒險(xiǎn)都是由于延遲時(shí)間的存在，當(dāng)一個(gè)輸入信號(hào)經(jīng)過多條路徑傳送后又重新會(huì)合到某個(gè)門上，由于不同路徑上門的級(jí)數(shù)不同，或者門電路延遲時(shí)間的差異，導(dǎo)致到達(dá)會(huì)合點(diǎn)的時(shí)間有先有后，從而產(chǎn)生瞬間的錯(cuò)誤輸出。”

為什么每次讀教科書，都覺得是大筒木輝夜的驚天陰謀呢？有一種不讓讀者進(jìn)入無限月讀，誓不罷休的霸氣外露（典故見《火影忍者疾風(fēng)傳》）。當(dāng)然這是題外話，大家一樂一樂（非拉面廣告?。?。列位稍安勿躁，待貧道說人話解釋一番。

競爭就是三字經(jīng)“人之初，性本善。性相近，習(xí)相遠(yuǎn)”的道理。同一個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，有的是電驢 P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，point? to point）幾乎及時(shí)到達(dá)，有的卻莫名其妙被發(fā)配去糧食基地米國周游了一圈五分鐘才到您老的計(jì)算機(jī)網(wǎng)口。如果這個(gè)是上網(wǎng)瀏覽一點(diǎn)網(wǎng)頁，還倒罷了，這就是非臨界的。假使這個(gè)是看視頻，這個(gè)就卡那里了，用戶會(huì)很不爽，這就算臨界競爭了。

冒險(xiǎn)的情況，壞就壞在“分進(jìn)合擊”上面。一組本來好好的輸入，非要經(jīng)過不同道路到達(dá)器件，結(jié)果可好有了時(shí)間差了，再被已處理后果不堪設(shè)想。

3. 時(shí)序器件，建立保持
問題從最簡單的開始解決，這是一個(gè)原則。先來瞧瞧一個(gè) D 觸發(fā)器對(duì)于輸入信號(hào)的要求，就是耳朵都聽出繭子的建立時(shí)間和保持時(shí)間問題。建立時(shí)間（英文 Set up time，簡寫 Tsu），是指觸發(fā)時(shí)鐘沿（一般為時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，本書中也沿用這個(gè)約定）到達(dá) D 觸發(fā)器之前，要求輸入信號(hào)必須已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。對(duì)應(yīng)的，保持時(shí)間（英文 Hold time，簡寫 Th），是指觸發(fā)時(shí)鐘沿到達(dá) D 觸發(fā)器之后，要求輸入信號(hào)還需要保持必須穩(wěn)定的時(shí)間。建立時(shí)間、保持時(shí)間相對(duì)于觸發(fā)時(shí)鐘沿的關(guān)系，如圖 4 所示。

圖 4 建立時(shí)間、保持時(shí)間相對(duì)于觸發(fā)時(shí)鐘沿的關(guān)系

“我們都是木頭人，不許說話不準(zhǔn)動(dòng)”，建立時(shí)間和保持時(shí)間就是輸入信號(hào)的“木頭人時(shí)間”。做游戲的時(shí)候，“木頭人時(shí)間”內(nèi)有了晃動(dòng)或者出聲，那游戲就輸了。電路里面，如果輸入信號(hào)在建立時(shí)間或者保持時(shí)間里面發(fā)生了變化，那就是仿真（尤其是時(shí)序仿真）里面所謂“全國山河一片紅”了，那個(gè)絕對(duì)是災(zāi)難（聲明：貧道與中國臺(tái)灣沒有關(guān)系）。
不推導(dǎo)“復(fù)雜”公式，直接給結(jié)論：要滿足建立與保持時(shí)間，時(shí)序系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。

對(duì)于 FPGA 設(shè)計(jì)，這個(gè)“滿足”是靠寫時(shí)序約束，來教導(dǎo)綜合軟件和布局布線軟件實(shí)現(xiàn)的。

首先，這里解答“什么是布局布線”這個(gè)問題。簡單理解，“布局布線”就是在器件（FPGA/ASIC）里面畫 PCB。布局是把器件放到相應(yīng)的位置上，布線是把有關(guān)聯(lián)的器件連接起來。

?

機(jī)器都是笨的，即使是號(hào)稱“電腦”的計(jì)算機(jī)，需要人來操作才能完成需要的任務(wù)。如果僅僅把設(shè)計(jì)給了設(shè)計(jì)環(huán)境，不做任何設(shè)計(jì)上的說明（也即所謂的“時(shí)序約束”），機(jī)器絕對(duì)會(huì)搞出一些工程師不希望的結(jié)果出來。記?。喝魏喂ぞ叨疾粫?huì)注重嘗試尋找到達(dá)最快的布局布線結(jié)果。這個(gè)正如畫 PCB 的工程師絕對(duì)不會(huì)使用軟件提供的所謂“自動(dòng)功能”。

最常用的時(shí)序約束有時(shí)鐘、輸入輸出時(shí)延和“虛假路徑”幾種，下面一一介紹：

時(shí)鐘的頻率和性質(zhì)決定了其他時(shí)延的上限。時(shí)鐘頻率越高、時(shí)鐘抖動(dòng)越大，允許的布局布線時(shí)延以及組合邏輯時(shí)延也就越小。

時(shí)鐘信號(hào)包括三個(gè)性質(zhì)：周期與占空比、時(shí)鐘間的偏移和時(shí)鐘的抖動(dòng)。如圖 5 所示，時(shí)鐘的周期定義為理想時(shí)鐘的兩個(gè)觸發(fā)沿之間的時(shí)間間隔；時(shí)鐘的占空比定義為一個(gè)周期內(nèi)，理想時(shí)鐘高電平“1”信號(hào)占整個(gè)時(shí)鐘周期的比例；時(shí)鐘之間的偏移定義為兩個(gè)同源時(shí)鐘之間的、固定的出發(fā)沿的時(shí)間差；時(shí)鐘的抖動(dòng)定義為一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)于理想時(shí)鐘，上升沿與下降沿可能變換的前后范圍。最后多嘴一句，這些實(shí)際系統(tǒng)中的時(shí)鐘與理想時(shí)鐘的差別是芯片內(nèi)的“時(shí)鐘樹”造成的。

圖 5? 時(shí)鐘的時(shí)序約束參數(shù)

下面兩折比較類似，現(xiàn)在合并演出（臺(tái)下：偷工減料，退票！）：輸入 / 輸出路徑時(shí)延表標(biāo)記芯片的前端 / 后端芯片的時(shí)序特性 / 要求。這個(gè)基本上就是，把前端芯片看作 D 觸發(fā)器，告訴工具前端芯片的輸出時(shí)延，這樣可以保證系統(tǒng)對(duì)于輸入可以可靠采樣。同樣的，把后端芯片看作 D 觸發(fā)器，通知工具后端芯片的建立時(shí)間和保持時(shí)間，可以保證可靠的信號(hào)輸出。整個(gè)系統(tǒng)的鏈接情況，如圖 6 所示。

圖 6 輸入 / 輸出路徑時(shí)延

下一出是《珍珠塔》，“皇帝家也有三門草鞋親，謝謝”（這就完了！？臺(tái)下騷動(dòng)：“退票！退票！”）。實(shí)際系統(tǒng)中，很少有必須工作時(shí)間都一致的，總會(huì)存在一些“急先鋒”遇到的“慢郎中”的。別抬杠，您老沒遇到，只能說明您還毛嫩。多周期的時(shí)序約束，實(shí)際上是減少布局布線壓力的，這個(gè)和前面 存在差異。對(duì)于這些需要計(jì)算較慢的單元 / 路徑，可以降低要求，把好的資源讓渡給需要快速的部分使用。圖 7 就是一個(gè)例子，上面是需要快速解決的單元們，下面是可以“慢慢來”的部分。多周期約束定義了到底可以多慢做完這個(gè)工作。

圖 7 多路徑約束

最后出場的就是“虛假路徑”這個(gè)草包，主要表現(xiàn)時(shí)鐘域之間路徑和測試邏輯，工具對(duì)這類任務(wù)也采取不聞不問、聽之任之的態(tài)度。

?

4. 定制器件，細(xì)節(jié)入手
FPGA 才是“上得廳堂，下得廚房，安得系統(tǒng)，打得流氓”的多面手，其結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。

圖 8 某 FPGA 的功能結(jié)構(gòu)圖

其中包括可編程輸入輸出單元（IOB，Input Output Block）、可配置邏輯塊（CLB，Configurable Logic Block）、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM，Digital Clock Management） 和嵌入式塊 RAM（BRAM，Block RAM） 等部分。這個(gè)里面與 Verilog 語言設(shè)計(jì)電路有關(guān)的部分是 CLB，揭開 CLB 的蓋頭來，您老將會(huì)看到如圖 9 所示的一副尊容。以 Xilinx 公司的 FPGA 器件為例，CLB 由多個(gè)（一般為 2 個(gè)或 4 個(gè)）相同的 Slice（這個(gè)詞還真不好翻譯，查了半天度娘，看到唯一靠點(diǎn)譜的說法是邏輯片）和附加邏輯構(gòu)成。其中，Slice 是基本的邏輯電路實(shí)現(xiàn)單元，屬于中等后面介紹；外圍電路中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)主要完成一般信號(hào)的可配置連接，快速連接線進(jìn)行時(shí)鐘和復(fù)位等關(guān)鍵信號(hào)的連接。

圖 9 Xilinx 公司 FPGA 中 CLB 的結(jié)構(gòu)圖

Slice 的結(jié)構(gòu)如圖 10 所示，一個(gè) Slice 由兩個(gè) 4/6 輸入的 LUT（查找表，Look Up Table）、進(jìn)位算術(shù)邏輯、D 觸發(fā)器和函數(shù)復(fù)用器組成。算術(shù)邏輯包括一個(gè)異或門和一個(gè)專用與門，一個(gè)異或門可以使一個(gè) Slice 實(shí)現(xiàn) 2bit 全加操作，專用與門用于提高乘法器的效率（這個(gè)后文書有詳細(xì)講解，這里屬于“看熱鬧”的內(nèi)容）；進(jìn)位邏輯由專用進(jìn)位信號(hào)和函數(shù)復(fù)用器（MUXC）組成，還包括兩條快速進(jìn)位鏈，用于提高 CLB 模塊的處理速度，用于實(shí)現(xiàn)快速的算術(shù)加減法操作。4 輸入 LUT 用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯運(yùn)算。

圖 10 Xilinx 公司某款 FPGA Slice 的結(jié)構(gòu)

同學(xué)們有沒有感到驚訝呢？如果有，說明你的《數(shù)字電子技術(shù)》的學(xué)費(fèi)沒白交。說好的用于組合邏輯的門級(jí)電路呢？還有編碼器、譯碼器等等，等等？這些器件都沒有，怎么設(shè)計(jì)組合邏輯?。俊帮L(fēng)蕭蕭兮易水寒，虞兮虞兮奈若何？”

LUT 本質(zhì)上就是一個(gè) RAM，里面存著真值表。目前 FPGA 中，多數(shù)采用 4 輸入的 LUT，所以每一個(gè) LUT 可以看成一個(gè)有 4 位地址線的 的 RAM。 當(dāng)用戶通過原理圖或 HDL 語言描述了一個(gè)邏輯電路以后，EDA 軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表事先寫入 RAM。這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。對(duì)于輸入高于 4 比特的輸入，EDA 軟件會(huì)自動(dòng)把輸入拆分成若干 LUT，最后聯(lián)合輸出。（真值表是什么，這個(gè)不用講了吧。不懂的人，數(shù)電考試肯定作弊的，回去重修?。┕俜秸f法是：“由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域” 。所以本書介紹的結(jié)構(gòu)竟然是流行趨勢，好極好極！

最后來看一看開發(fā)流程里面的“綜合”這個(gè)過程，那些“優(yōu)化”什么的亮瞎鈦合金狗眼的概念，對(duì)于 FPGA 的組合邏輯方面還存在嗎？我們估計(jì)獨(dú)立思考。貧道聞到了退化的味道。這也不是說 EDA 軟件沒用，LUT 組合方面的算法還是可圈可點(diǎn)的嘛。

?

5. 語言缺陷，電路子集
Verilog 設(shè)計(jì)之初就號(hào)稱可以一次打兩只鳥：設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，殊不知這兩個(gè)方向的思路卻相差很大。數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)是基于數(shù)電的，受限制于電路器件的特性；反觀數(shù)字邏輯系統(tǒng)的驗(yàn)證，這是一個(gè)純粹軟件仿真的活計(jì)，工程師更加喜歡一般程序設(shè)計(jì)語言的思路。在老衲參與的很多技術(shù)討論里面發(fā)現(xiàn)，這“兩鳥”不僅僅沒有打到，這把“米”是一定“蝕”了。大多數(shù)初學(xué)者完全分不清那些可以綜合，那些不可以。

老僧也在總結(jié)這個(gè)現(xiàn)象的原因，吾稱之為：“教不得法，學(xué)不得法”?！敖滩坏梅ā笔侵福芏嚓P(guān)于 Verilog 的書繼承了程序語言教材的結(jié)構(gòu)，把語句分為：算術(shù)運(yùn)算、條件判斷和循環(huán)等等部分，完全不區(qū)分可綜合性，這樣有誤導(dǎo)的嫌疑；“學(xué)不得法”是一個(gè)歷史原因，大多數(shù)學(xué)習(xí)者實(shí)際上具有很強(qiáng)的程序語言，例如 C 語言，的基礎(chǔ)，這反而是有害的。人的思維是有習(xí)慣性的，Verilog 的形式又與 C 語言很類似，所以多數(shù)人都把 C 語言設(shè)計(jì)里面的習(xí)慣不自覺的帶入了 Verilog 語言的電路實(shí)現(xiàn)。于是乎，綜合軟件上報(bào)的錯(cuò)誤“如滔滔江水，綿綿不絕”，實(shí)現(xiàn)與想象不一致也是“如黃河泛濫，一發(fā)不可收拾”。以上是一家之言啊，切勿對(duì)號(hào)入座，否則必有受傷者，老衲不負(fù)責(zé)醫(yī)藥費(fèi)！

數(shù)字電路和程序語言的區(qū)別，別告訴我您不知道。下面姑且總結(jié)幾條，叫大家以后面試的時(shí)候，可以說得頭頭是道。

1. 對(duì)應(yīng)于仿真：C 語言的代碼是一行一行執(zhí)行的，屬于順序結(jié)構(gòu)；而 Verilog 是一種硬件描述語言，語句同時(shí)進(jìn)行，屬于并行結(jié)構(gòu)。
這個(gè)特點(diǎn)說起來有點(diǎn)抽象，我們舉一個(gè)例子吧。就對(duì)于某家上面舉出的代碼，減震器記得時(shí)刻到了。

表 1 兩種語言的仿真方式差別

“不看不知道，世界真奇妙”，套用以前《正大綜藝》的臺(tái)詞。見到黃河了？佛主說：回頭是岸，南無阿彌陀佛。

避繁就簡，結(jié)合網(wǎng)上度娘出來的資料，老衲針對(duì) Verilog 可綜合性設(shè)計(jì)，分別 FPGA 和 ASIC 的情況，給列位總結(jié)出了表 2（內(nèi)部資料，注意保密）。表里面可能有一些超前的概念，例如 always、循環(huán)和阻塞 / 非阻塞賦值等，這些會(huì)在后文書里面介紹，這里先說聲對(duì)不起。

表 2 Verilog 可綜合性設(shè)計(jì)原則匯總表

話說兩頭，老衲從來不提倡先寫代碼，然后去看能不能綜合的設(shè)計(jì)步驟。老僧把那叫做“C Style”、“邏輯派”或者“語法黨”，某家提倡的是“電路門”。早在《IP 核芯志》里面，吾就說過了：“看圖說話基本法，電路映射程序中?！?，這是不二法門。聽不懂嗎？就是先畫電路 / 時(shí)序 / 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，再去寫代碼的意思！還不懂？完全無語了，容我冷靜一下。

這正是：
“
遠(yuǎn)看石塔黑乎乎，上面細(xì)來下面粗。有朝一日翻過來，下面細(xì)來上面粗。
都曉倒著很懸乎，重心不穩(wěn)難以扶。不知語言學(xué)習(xí)路，也要數(shù)電加基礎(chǔ)。
”
?

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

如果有任何技術(shù)問題，歡迎留言提問~~