Verilog如何做到心中有電路?

老師說沒電路就不要寫代碼，但我寫個(gè)乘法器在綜合前都想不出它電路啥樣，全加器還行，寫Verilog如何做到心中有電路?

首先，你們老師說的是正確的，但可能是說的不夠詳細(xì)，或者你表達(dá)的不全。

準(zhǔn)確的說，在寫Verilog前，要做到心中有數(shù)字電路。

數(shù)字電路設(shè)計(jì)主要就是，選擇器、全加器、比較器，乘法器，幾個(gè)常用邏輯門，再加個(gè)D觸發(fā)器，電路基本都能實(shí)現(xiàn)了。這些器作為基本單元，對于工程設(shè)計(jì)來說，并不需要過多的關(guān)注它更底層的門或晶體管的樣子。

我在學(xué)生時(shí)代剛開始學(xué)數(shù)字電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，很長一段時(shí)間都是眼里只有代碼和功能時(shí)序，沒有一個(gè)良好的正向設(shè)計(jì)思路。比如，知道要實(shí)現(xiàn)的功能，二話不說開始新建.v寫代碼，邊寫邊想，這樣導(dǎo)致的結(jié)果，準(zhǔn)確的來說時(shí)序都是調(diào)出來的，而不是設(shè)計(jì)出來的。

寫的代碼幾乎全使用

always @（posedge clk or negedge rst_n）

從不考慮消耗的資源和面積，學(xué)生階段的項(xiàng)目用FPGA也很難把芯片資源用爆，全用的寄存器肯定不會(huì)出現(xiàn)時(shí)序不滿足的情況。

而實(shí)際上做設(shè)計(jì)最應(yīng)該關(guān)注的是PPA（Performance， Power， Area），寄存器多面積必然大，處理必然延時(shí)大，功耗怎么小。寄存器打拍是因?yàn)榻M合邏輯路徑過長，才往中間插一拍，而不是隨便打。

在寫Verilog前，不光要心中有電路，還要有關(guān)鍵時(shí)序圖，有一個(gè)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。而且不光在心里，還得寫下來，畫下來，整理成文檔。在動(dòng)手寫代碼前，心中就有了譜，清楚的知道，我這個(gè)設(shè)計(jì)能成。

而一個(gè)正確的正向設(shè)計(jì)流程應(yīng)該是，首先確定設(shè)計(jì)模塊的功能需求，劃分整體的硬件結(jié)構(gòu)，可以大致分為幾個(gè)部分。每一個(gè)部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的功能，不同部分之間接口交互確定。

設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)通路和控制通路。

數(shù)據(jù)通路決定了整體數(shù)據(jù)流的走向，整個(gè)模塊計(jì)算分為哪幾部分，哪些是可以排成流水線，中間的數(shù)據(jù)流是否需要斷掉，用RAM存還是RegFile存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)通路中數(shù)乘法器單元的面積最大，一般都是采用的是分時(shí)復(fù)用的方式。整個(gè)數(shù)據(jù)通路的計(jì)算流整理出來后，基本上乘法的最大個(gè)數(shù)也統(tǒng)計(jì)出來，然后控制計(jì)算模塊在不同的時(shí)間復(fù)用。乘法器的數(shù)量和復(fù)用程度決定了一個(gè)設(shè)計(jì)是否更優(yōu)，好的設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)據(jù)通路中乘法器幾乎空閑不下來。

到了單個(gè)計(jì)算模塊，每個(gè)模塊都能畫出一個(gè)簡單的計(jì)算電路圖，

上面這個(gè)圖的意思是，a * b或c * d的結(jié)果進(jìn)行累加，最后飽和截位進(jìn)行輸出。

畫出了電路圖，就可以大體估算出，整個(gè)設(shè)計(jì)需要的寄存器的數(shù)量，乘法器的數(shù)據(jù)。乘法器和寄存器的量級估算基本上就可以確定整個(gè)設(shè)計(jì)的面積單位量級。

控制通路就是玩時(shí)序設(shè)計(jì)，畫出時(shí)序圖，具體的實(shí)現(xiàn)就是各種大大小小的計(jì)數(shù)器、enable、start、end、valid、flag信號。系統(tǒng)整體的調(diào)度，就記住一句話，狀態(tài)機(jī)大法好。當(dāng)然雖然說狀態(tài)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一切時(shí)序電路，但并不是所以時(shí)序功能都適合用狀態(tài)機(jī)。比如，整個(gè)設(shè)計(jì)的處理都是連續(xù)流水處理，那么對于狀態(tài)機(jī)的來說就是一個(gè)狀態(tài)，不需要用狀態(tài)機(jī)了。

控制通路的設(shè)計(jì)就不是畫電路圖了，而是畫時(shí)序圖，狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)，各種控制信號的時(shí)序交互，握手，ram的讀寫控制等等關(guān)鍵時(shí)序圖，都需要畫出來?？刂仆飞系馁Y源占比很少，一個(gè)10bit的計(jì)數(shù)器就可以計(jì)到1023，一個(gè)數(shù)據(jù)打拍就32bit，各種flag就1bit，更不值一提。所以設(shè)計(jì)中評估資源和優(yōu)化主要關(guān)注的數(shù)據(jù)通路。

數(shù)據(jù)通路和控制通路整理完成后，整個(gè)設(shè)計(jì)的處理時(shí)間和占用資源基本上就可以估算出來。上面的工作都完成后，然后就是照圖施工，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，寫代碼就完全是個(gè)體力活的事情。只要你方案設(shè)計(jì)的好，圖畫的好，文檔寫的清晰，隨便找?guī)讉€(gè)會(huì)寫Verilog的代碼都能寫出來（夸張的表述）。

回到我們說的Verilog HDL的HDL的全稱是Hardware Description language，是硬件描述語言，不是design，是在描述之前，你就得想好要描述的東西。做設(shè)計(jì)的時(shí)候按照這樣的思路和套路去想，去做。

再來說說做設(shè)計(jì)時(shí)的描述方式，一些更底層的描述方式，比如

&sel[1:0] 等效于 sel[1:0] == 2'b11

～（｜sel[1:0]）等效于 sel[1:0] == 2'b0

~a[3:0] + 1'b1 等效于 -a[3:0]

c[4:0] = {a[3], a[3:0]} + {b[3], b[3:0]}等效于c[4:0] = $signed（a[3:0]+b[3:0]）

變量乘以一個(gè)常數(shù)用移位加

assign data_out[5:0] = ({6{data_vld0}} & data0[5:0]) | ({6{data_vld1}} & data1[5:0]) | ({6{data_vld2}} & data2[5:0]) | ({6{data_vld3}} & data3[5:0]);

這是一個(gè)4選1的數(shù)據(jù)選擇器，并且要求四個(gè)vld不能同時(shí)為1。

實(shí)際上，拋開代碼的可讀性，很多代碼的寫法，并不需要多此一舉用更底層的描述方法，高級的描述只要語法和工具支持，就可以直接使用，更底層的描述，我們以為會(huì)用更少邏輯，但是工具可能也會(huì)優(yōu)化的更好，比如，變量乘以常數(shù)，a * 2‘d3，工具會(huì)幫你優(yōu)化成 a << 2’d1 + a。甚至可能還優(yōu)化得更好，所以還不如直接用乘法器，*號。

當(dāng)然也不能過分依賴工具，能復(fù)用的邏輯盡量復(fù)用，先選后比，先選后加，先選后乘。畢竟自己寫出來的邏輯是確定的，而交給工具并不一定會(huì)按你想的方向去優(yōu)化綜合。而做一個(gè)設(shè)計(jì)在確保代碼功能實(shí)現(xiàn)的前提下，還需要考慮的是代碼可調(diào)試性和可維護(hù)性。

最后再扯一段我用過好幾次的話

學(xué)習(xí)Verilog的五個(gè)階段

00：心中無電路，代碼無電路

01：心中有電路，代碼無電路

10：心中有電路，代碼有電路

11：心中無電路，代碼有電路

00：心中無電路，代碼無電路

達(dá)到10就可以了，這時(shí)候你就是高手了，再往后就開始玩玄學(xué)了。

歡迎糾正，歡迎補(bǔ)充。

審核編輯 ：李倩