教你如何書寫高質(zhì)量的Verilog代碼？

關(guān)于 Verilog HDL 的認(rèn)知

常見認(rèn)知（錯(cuò)誤）

• 很多語法規(guī)則與 C 語言相似，書寫時(shí)可參考 C 語言
• 追求代碼的整潔簡短
• 著眼于代碼書寫，性能優(yōu)化由綜合器實(shí)現(xiàn)
• 把 Verilog 代碼當(dāng)成了程序，把電路設(shè)計(jì)當(dāng)成了編程

正確認(rèn)知

HDL：hardware Description

• HDL 語言僅是對已知硬件電路的文本表現(xiàn)形式編寫前，對所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路“ 胸有成竹 ”
• Verilog HDL 的基本功能之一是描述可綜合的硬件電路。
• 相比 C 語言，最顯著的區(qū)別在于 HDL 語言具備以下硬件設(shè)計(jì)的基本概念：
  • 互連(Connectivity) : wire 型變量描述各個(gè)模塊之間的端口與網(wǎng)線連接關(guān)系
  • 并發(fā)(concurrency) : 可以有效地描述并行的硬件系統(tǒng)
  • 時(shí)間(time) : 定義了絕對和相對的時(shí)間度量,可綜合操作符具有物理延遲

Verilog HDL 用于可綜合描述的語句

• always
• if-else
• case
• assign

這里課件上的 for 不可用于綜合,這點(diǎn)不敢茍同

if-else 相關(guān)語句的硬件結(jié)果映射及優(yōu)化

if-else 硬件結(jié)構(gòu)

• 映射的硬件結(jié)構(gòu): Multiplexing Hardware -> 多路選擇器, 輸出結(jié)果由輸入的選擇條件決定

• 重構(gòu) if-else 映射的硬件結(jié)構(gòu):減少了一個(gè)加法器,減少了硬件面積:

trade-off :但是在這種情況下,電路的傳播延遲 -> 數(shù)據(jù)通路的延遲沒改變,但是控制通路的傳播也變成了一個(gè)選擇器和加法器之和,如果 aflag 到來延遲晚,則后一種電路沒前者好的性能沒這么好:

單 if 語句-無優(yōu)先級的判斷結(jié)構(gòu)

如以下代碼:

always@(a or b or c or d or sel)begin
   z=0;
    if(sel[3])
        z=d;
    else if(sel[2])
        z=c;
    else if(sel[1])
        z=b;
    else if(sel[0])
        z=a;
end

硬件結(jié)構(gòu)為:

多 if 語句-具有優(yōu)先級的判斷結(jié)構(gòu)

如以下代碼:

always@(a or b or c or d or sel)begin
   z=0;
    if(sel[0])z=a;
    if(sel[1])z=b;
    if(sel[2])z=c;
    if(sel[3])z=d;
end

硬件結(jié)構(gòu)為:

最后一級選擇信號具有最高的優(yōu)先級,具有優(yōu)先級的多選結(jié)構(gòu)會消耗組合邏輯

• 若某些設(shè)計(jì)中,有些信號要求先到達(dá)(如關(guān)鍵使能信號,選擇信號等),而有些信號需要后到達(dá)(如慢速信號,有效時(shí)間較長的信號等),此時(shí)則需要采用此結(jié)構(gòu)
• 設(shè)計(jì)方法：最高優(yōu)先級給最遲到達(dá)的關(guān)鍵信號

此處結(jié)合阻塞賦值與非阻塞賦值去想都是成立的

case-無優(yōu)先級的判斷結(jié)構(gòu)

如以下代碼:

always@(a or b or c or d or sel)begin
    case(sel)
        2'b00: z=d;
        2'b01: z=c;
        2'b10: z=b;
        2'b11: z=a;
       default: z=1'b0;
    endcase
end

• 與單 if 語句的區(qū)別: 條件多為互斥
• 多用于指令譯碼電路

慎用 Latch

綜合器很難解釋 latch,因此,除非特殊用途,一般避免引入 latch.

一般只在異步電路與門控時(shí)鐘中用到

• latch 由電平觸發(fā),非同步控制.在使能信號有效時(shí),latch 相當(dāng)于通路,在使能信號無效時(shí) latch 保持輸出狀態(tài)。DFF 由時(shí)鐘沿觸發(fā)，同步控制。
• latch 容易產(chǎn)生毛刺（glitch），DFF 則不易產(chǎn)生毛刺。
• latch 將靜態(tài)時(shí)序分析變得極為復(fù)雜。
• 一般的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)：在絕大多數(shù)設(shè)計(jì)中避免產(chǎn)生 latch。latch 最大的危害在于 不能過濾毛刺 。這對于下一級電路時(shí)極其危險(xiǎn)的。所以，只要能用 D 觸發(fā)器的地方，就不用 latch。
• 易引入 latch 的途徑：使用不完備的條件判斷語句

所以防止產(chǎn)生非目的性 latch 的措施：

• 使用完備的 if-else 語句
• 為每個(gè)輸入條件設(shè)計(jì)輸出操作，為 case 語句設(shè)置 default 操作
• 仔細(xì)檢查綜合器生成的報(bào)告，latch 會以 warning 的形式報(bào)告

利用綜合器指令指定電路結(jié)構(gòu)

full-case

對如紅綠燈等只有紅綠黃三種情況下，采用 2bit 的狀態(tài)編碼則會產(chǎn)生分支賦值不完備的情況：

always@(a or b or c or sel)begin
    case(sel)
        2'b00: y=a;
        2'b01: y=b;
        2'b10: y=c;
    endcase
end

此時(shí)現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)已經(jīng)完備了,但是從數(shù)字電路角度出發(fā)會有一個(gè) 2'b11 下的 latch

此時(shí)使用 full-case:

• full-case: 告訴綜合器,當(dāng)前 case 結(jié)構(gòu)所列條件已完備

always@(a or b or c or sel)begin
    case(sel) // synopsys full_case
        2'b00: y=a;
        2'b01: y=b;
        2'b10: y=c;
    endcase
end

此時(shí)綜合器結(jié)果:

則不會推斷出 latch

parallel_case

當(dāng) case 語句中的分支條件不互斥,則 case 語句存在優(yōu)先級,如:

always@(irq)begin
    int = 3'b0;
    casez(irq)
        3'b1??: int[2]=1'b1;
        3'b?1?: int[1]=1'b1;
        3'b??1: int[0]=1'b1;
    endcase
end

綜合器報(bào)告:

使用 parallel-case 原語:告訴 DC,所有條件互斥,并行且無優(yōu)先級

always@(irq)begin
    int = 3'b0;
    casez(irq) // synopsys parallel_case
        3'b1??: int[2]=1'b1;
        3'b?1?: int[1]=1'b1;
        3'b??1: int[0]=1'b1;
    endcase
end

合理使用 parallel case 約束,可以條件譯碼邏輯

邏輯復(fù)制-均衡負(fù)載

通過邏輯賦值,降低關(guān)鍵信號的扇出,進(jìn)而降低該信號的傳播延遲,提高電路性能:

trade-off: 資源消耗

資源共享-減少面積

若電路中存在較多公共單元,可以通過資源共享來減少面積:

但一般共享會導(dǎo)致性能下降

資源順序重排-降低傳播延時(shí)

對到達(dá)延遲大的信號,可以重排其電路順序以降低傳播延時(shí),提高性能:

如圖,假設(shè) A 來得比較晚,就可以將其盡可能放在后面,隱藏他的延遲

":?"僅用于連線,always 用于邏輯運(yùn)算

盡可能使用 always 來描述電路,assign 僅僅用來實(shí)現(xiàn)連線,如:

assign a = (b==1)?((c&&d)? 1'b1:1'b0):1'b0;

與 always 塊描述的:

always@(*) begin
    if(b==1'b1)
        if(c&&d == 1'b1)
      a=1'b1;
     else
            a=1'b0;
    else
        a=1'b0;
end

關(guān)于 assign 和三目運(yùn)算符:

• 僅用于信號連線
• 難以閱讀,且多層嵌套后很難被綜合器解釋

可綜合風(fēng)格對代碼的要求

完整的 always 敏感信號列表

• 所有的組合邏輯或所存的 always 結(jié)構(gòu)必須由敏感信號列表.其中必須包括所有的輸入信號
• 原因: 綜合過程將產(chǎn)生要給取決于除命案列表中所有其它值的結(jié)構(gòu),它將可能在行為仿真和門級仿真間產(chǎn)生潛在的失配.

每個(gè) always 敏感信號列表對應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘

• 在綜合過程中,每個(gè) Verilog always 敏感信號列表只能對應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘。
• 原因：這是將每一個(gè)過程限制在單一寄存器類型的要求，有利于邏輯綜合和時(shí)序分析

不允許 Wait 聲明和# delay 聲明

• Wait 聲明語句，無論時(shí)清楚還是含糊，都不能用于可綜合設(shè)計(jì)。
• 原因：從 RTL 級轉(zhuǎn)換到 gate 級的綜合工具一般都不支持 Wait 聲明和# delay 聲明，為了有效的綜合，這些語句應(yīng)該避免。
• 例外：在不需要進(jìn)行綜合的行為模塊中，如測試模塊，表示行為的虛擬期間模塊中可以使用。

在時(shí)序電路中必須使用非阻塞賦值(<=)

在組合邏輯中必須使用阻塞賦值(=)

模塊劃分

分開異步邏輯與同步邏輯

• 建議分開異步邏輯與同步邏輯
• 原因:簡化綜合時(shí)的問題,簡化約束和編碼難度
• 例外:不可應(yīng)用于非綜合模塊中(例如：總線模塊，總線監(jiān)視器或是模擬模塊)除非他們被設(shè)計(jì)來綜合仿真。

分開控制邏輯和存儲器

• 建議分開控制邏輯與存儲器邏輯為獨(dú)立模塊
• 原因：存儲器一般由 memory compiler 生成，便于高層的存儲器模塊的使用和便于重新描述為不同的存儲器類型。混用不利于綜合，不利于方便更換工藝庫和平臺。