VHDL設(shè)計進階:邏輯綜合的原則以及可綜合的代碼設(shè)計

4.5.1 always塊語言指導(dǎo)原則

使用always塊進行可綜合的代碼設(shè)計時需要注意以下幾個問題。

(1)每個always塊只能有一個事件控制“@(event-expression)”，而且要緊跟在always關(guān)鍵字后面。

(2)always塊可以表示時序邏輯或者組合邏輯，也可以用always塊既表示電平敏感的透明鎖存器又同時表示組合邏輯。但是不推薦使用這種描述方法，因為這容易產(chǎn)生錯誤和多余的電平敏感的透明鎖存器。

(3) 帶有posedge 或 negedge 關(guān)鍵字的事件表達式表示沿觸發(fā)的時序邏輯;沒有posedge 或negedge關(guān)鍵字的表示組合邏輯或電平敏感的鎖存器，或者兩種都表示。在表示時序和組合邏輯的事件控制表達式中如有多個沿和多個電平，其間必須用關(guān)鍵字“or” 連接 。

(4)每個表示時序邏輯的always塊只能由一個時鐘跳變沿觸發(fā)，置位或復(fù)位最好也由該時鐘跳變沿觸發(fā)。

(5)每個在always塊中賦值的信號都必需定義成reg型或整型。整型變量缺省為32bit，使用Verilog操作符可對其進行二進制求補的算術(shù)運算。綜合器還支持整型量的范圍說明，這樣就允許產(chǎn)生不是32位的整型量，句法結(jié)構(gòu)如下：

integer[:]。

(6)always塊中應(yīng)該避免組合反饋回路。每次執(zhí)行always塊時，在生成組合邏輯的always塊中賦值的所有信號必需都有明確的值;否則需要設(shè)計者在設(shè)計中加入電平敏感的鎖存器來保持賦值前的最后一個值。

只有這樣，綜合器才能正常生成電路。如果不這樣做，綜合器會發(fā)出警告，提示設(shè)計中插入了鎖存器。如果在設(shè)計中存在綜合器認(rèn)為不是電平敏感鎖存器的組合回路時，綜合器會發(fā)出錯誤信息(例如設(shè)計中有異步狀態(tài)機時)。

用always塊設(shè)計純組合邏輯電路時，在生成組合邏輯的always塊中，參與賦值的所有信號都必須有明確的值，即在賦值表達式右端參與賦值的信號都必需在always @(敏感電平列表)中列出。

如果在賦值表達式右端引用了敏感電平列表中沒有列出的信號，那么在綜合時，將會為該信號產(chǎn)生一個隱含的透明鎖存器。這是因為該信號的變化不會立刻引起所賦值的變化，而必須等到敏感電平列表中某一個信號變化時，它的作用才顯現(xiàn)出來。

也就是相當(dāng)于存在著一個透明鎖存器把該信號的變化暫存起來，待敏感電平列表中某一個信號變化時再起作用，純組合邏輯電路不可能做到這一點。這樣，綜合后所得電路已經(jīng)不是純組合邏輯電路了。這時綜合器會發(fā)出警告提示設(shè)計中插入了鎖存器，如下所示：

input a,b,c;
reg e,d;
always @(a or b or c) begin
e = d a b; //因為d沒有在敏感電平列表中,所以d變化時,e不能立刻變化,
//要等到a或b或c變化時才體現(xiàn)出來。這就是說實際上相當(dāng)于存在
//一個電平敏感的透明鎖存器在起作用, 把d信號的變化鎖存其中
d = e | c;
end

（7）對一個寄存器型（reg）或整型（integer）變量的賦值只允許在一個always塊內(nèi)進行，如果在另一always塊也對其賦值，這是非法的。
（8）把某一信號值賦為'bx，綜合器就把它解釋成無關(guān)狀態(tài)，因而綜合器為其生成的硬件電路最簡潔。

4.5.2 可綜合風(fēng)格的Verilog HDL模塊實例
1．組合邏輯電路設(shè)計實例

例4.6：8位帶進位端的加法器的設(shè)計實例（利用簡單的算法描述）。

module adder_8(cout,sum,a,b,cin); //模塊聲明
output cout;
output ［7:0］ sum;
input cin;
input［7:0］ a,b; //端口聲明
assign {cout,sum} = a + b + cin; //加法器算法
endmodule

例4.7：指令譯碼電路的設(shè)計實例（利用電平敏感的always塊來設(shè)計組合邏輯）。

'define plus 3'd0 //操作碼的宏定義
'define minus 3'd1
'define band 3'd2
'define bor 3'd3'
'define unegate 3'd4

module alu(out,opcode,a,b); //模塊聲明
output ［7:0］ out;
input ［2:0］ opcode;
input ［7:0］ a,b; //端口聲明
reg ［7:0］ out; //寄存器聲明

always @(opcode or a or b) begin //用電平敏感的always塊描述組合邏輯
case(opcode)
'plus: out = a + b; //算術(shù)運算
'minus: out = a - b;
'band: out = a b; //位運算
'bor: out = a | b;
'unegate: out = ~a; //單目運算
default: out = 8'hx;
endcase
end
endmodule

例4.8：比較后重組信號的組合邏輯（利用task和電平敏感的always塊設(shè)計）。

module sort4(ra,rb,rc,rd,a,b,c,d); //模塊聲明
output ［t:0］ ra, rb, rc, rd;
input ［t:0］ a, b, c, d; //端口聲明
reg ［t:0］ ra, rb, rc, rd;
reg ［t:0］ va, vb, vc, vd; //寄存器聲明
parameter t=3; //參數(shù)聲明

always @(a or b or c or d) begin //用電平敏感的always塊描述組合邏輯
{va,vb,vc,vd}={a,b,c,d};
sort2(va,vc); //信號重組
sort2(vb,vd);
sort2(va,vb);
sort2(vc,vd);
sort2(vb,vc);
{ra,rb,rc,rd}={va,vb,vc,vd};
end

task sort2; //x與y互換任務(wù)
inout ［t:0］ x,y;
reg ［t:0］ tmp;
if(x > y) begin
tmp = x; //使用臨時變量tmp保存x的值
x = y;
y = tmp;
end
endtask
endmodule

例4.9：比較器的設(shè)計實例（利用賦值語句設(shè)計組合邏輯）。

module compare(equal,a,b); //模塊聲明
output equal;
input ［size-1:0］ a,b; //端口聲明
parameter size=1; //參數(shù)聲明
assign equal =（a==b）? 1 : 0; //比較器
endmodule

例4.10：3-8譯碼器設(shè)計實例（利用賦值語句設(shè)計組合邏輯）。

module decoder(out,in); //模塊聲明
output ［7:0］ out;
input ［2:0］ in; //端口聲明
assign out = 1'b1in; //把最低位的1左移 in（根據(jù)從in口輸入的值）位
//將移位結(jié)果賦予out
endmodule

例4.11：3-8編碼器的設(shè)計實例。
編碼器設(shè)計方案一。

module encoder1(none_on,out,in); //模塊聲明
output none_on;
output ［2:0］ out;
input ［7:0］ in; //端口聲明
reg ［2:0］ out;
reg none_on; //寄存器聲明
always @(in) begin: local //in有變化時，觸發(fā)
integer i; //變量聲明
out = 0;
none_on = 1; //初始化
for( i=0; i8; i=i+1 ) begin //for循環(huán)語句
if( in［i］ ) begin //將in中值為1的位編碼
out = i;
none_on = 0;
end
end
end
endmodule