FPGA研发之道(14)写在coding之前的铁律

作者：阿昏豆

写在coding之前的那些铁律

(1)注释： 好的代码首先必须要有注释，注释至少包括文件注释，端口注释，功能语句注释。

     文件注释：文件注释就是一个说明文：这通常在文件的头部注释，用于描述代码为那个工程中，由谁写的，日期是多少，功能描述，有哪些子功能，及版本修改的标示。这样不论是谁，一目了然。即使不写文档，也能知道大概。

     接口描述：module的接口信号中，接口注释描述模块外部接口，例如AHB接口，和SRAM接口等等。这样读代码的人即可能够判断即模块将AHB接口信号线转换成SRAM接口信号。

     功能语句注释： 内部关键逻辑，状态机某状态，读过程、写过程。

    注释的重要性，毋庸置疑，好的注释，能够提高代码的可读性，可维护性等等。总之，养成注释的好习惯，代价不大，但是收益很大。

（2）语句：

开始写代码是，在FPGA设计中，特别是在可综合的模块实现中，verilog的语句是很固定的。在FPGA的设计中，不外乎时序逻辑和组合逻辑，除此之外，别无他法。对于开始功能编码来说，只需知道组合逻辑信号即可生效，时序逻辑在时钟的下一拍起效就够了。

下面是编码的实例。

组合逻辑：两种组合逻辑的描述，其功能是一致的。

   assign   A = B ? 1 : D ？ 2 ：3;

   always@(*)

        if(B)

          A = 1

        else  if（D）

          A = 2;

        else

          A = 3;

  组合逻辑 如果是异步复位的话，描述如下

always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)

        if(!rst_n)

          a <= 0;

        else

          a <= b;

   也就是说，在verilog的可综合电路的编码中，只需要三种语句，分别是assign, always(*) 及时序的always(`CLOCK_EDGE clk ) 。 `CLOCK_EDGE 可以是上升沿或者下降沿。

    为什么用always@(*) 而不是always（敏感信号列表）。“*”包含所有敏感信号列表，如果在coding过程中，漏掉了某个敏感信号，则会导致仿真不正确，例如本例中，敏感变量列表中，需要B or C 但是如果漏掉一个，仿真就会在B或C有变化时，输出没有变化。导致仿真和功能不一致，但是对于综合工具来说，功能还是能够正常工作的，不会因为敏感变量列表中的值未列全而不综合某条语句。某些情况下，敏感列表的值可能有十几个甚至更多，遗漏是可能发生的事情，但是为了避免这种问题，最好采用always(*)而不用敏感变量列表的方式,来避免仿真结果不一致的情况发生。

（3）赋值：老话重提，阻塞与非阻塞

很多同志喜欢钻研阻塞赋值和非阻塞赋值，这两种赋值，分别在always块里面用于的阻塞“=”给组合逻辑赋值，非阻塞”<=”给时序逻辑赋值。这应该是铁律，应该在编码过程中被严格的遵守下来。“为什么？，不这么用程序也能跑”。这句话部分是正确的，疑问永远是工程师最好的老师。

诚然，某些情况下，不严格的执行也跑，但是在某些情况下，实现二者就不一样。

    对于下面两个例子来说明，为什么？



对于value1的描述方式：其综合后的如下所示



   如果从实际的编译结果上看 b和b1 及c和c1其使用阻塞赋值和非阻塞赋值最终的结果是一致的，因此，也就是说，某些情况下，二者的编译结果一致。



   而对于value2的描述方式：其综合后的电路图如下所示。



而对于第二中描述方式，阻塞赋值和非阻塞赋值的区别就显现出来了，从综合后的图中可以看到，c1信号是b1信号的寄存，而c信号和b信号为同一信号，都为a信号的寄存。

作为FPGA工程师，一项基本的能力，就是要知道代码综合后的电路和时序，不要让其表现和你预想的不一致，“不一致”就意味着失败。即是代码的失败，也是工程的失败

对于阻塞和非阻塞赋值区别和详细说明来说，其能够编写一本书（如有时间也可专题详述），但是对FPGA工程师，对于verilog的编码而言，则只需要按照时序逻辑用“<=”非阻塞，组合逻辑用阻塞“=”赋值即可。不要挑战那些规律，试图通过语言的特性来生成特殊电路的尝试是不可取的，开个玩笑的话，是没有前途的，要把设计的精力放在通过可用的电路来实现需求上，不要舍本逐末。在数字电路设计中，我们需要的是一个确定的世界，“所见及所得”，不要让你所想的和综合编译工具得认识不一致。这也就是不要乱用和混用这两个赋值的原因。

（4）一个变量一个“家”

   不要在两个always语句中同一个变量赋值。（这是必须的）

   也尽量不要在同一个always语句中，对两个变量赋值。（这是可选的）

如果是一组信号，其有共同的控制条件，则在同一always语句中赋值能够减少代码行数，提高可读性，除此之外，最好分开来写。如果几个不太相关的信号在同一里面赋值，其可读性极差，在组合逻辑中，还容易产生latch。

而前者赋值方式，综合工具肯定会报错，这到不用很担心，因为能够报的错误时是最容易被发现的。俗语说：“咬人的狗不叫”，而对于FPGA设计来说“致命的BUG，从来不报错”。

（5）锁存

     FPGA中不要有锁存器的产生。最容易产生的是在always（*）语句中，最后一定是所有分支条件都要描述并赋值，（一定要有最后的else）。状态机中，同样如此，不但需要有default的状态,每个状态的都要有所有的分支都要赋值。

锁存器，是FPGA设计的大敌，因为会导致非你想要的错误功能的产生，并且导致时序分析错误，就会产生前述的问题“所见不是所得”，并且综合工具不会报错。

如果你设计的电路功能，仿真正确，而实际工作不正常，有一部分的原因是生成了锁存器，如果设计很大，不容易查的话，可以打开综合报告，搜索“LATCH”关键词，查看是否有锁存器的产生，一句话“锁存器，必杀之”。

时序逻辑会产生锁存器吗？当然不会，时序逻辑综合结果必然是触发器，因此不用检查时序逻辑的分支条件。

综上：这是写在coding之前的话，编码的主要功能应该是用可靠的电路来描述FPGA功能和需求，不要试图通过语言的特性来描述功能，设计的主要精力应放在用已知的电路（组合逻辑，时序逻辑）描述未知功能。