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深入浅出FPGA——笔记7 代码风格

news 2026/3/30 23:39:45

1 寄存器电路的设计方式

废话：时序逻辑设计是核心，而寄存器又是时序逻辑的基础。

1: 简单的时序输入输出模型

如下图所示，在每个时钟信号clk的有效沿（通常是上升沿），输入端数据din将被锁存到输出端dout。
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## verilog 例程
module dff(clk, din, dout);input clk;input din;output dout;reg dout;always@(posedge clk) begindout <= din;endendmodule

2: 带异步复位的寄存器输入输出模型

如下图所示。在每个时钟信号clk的有效沿（通常是上升沿），输入端数据din将被锁存到输出端dout；而异步复位信号clr的下降沿（低电平有效复位）将强制给输出数据dout赋值为0（不论此时的输入数据din取值），此输出状态将一直保持到clr拉高后的下一个clk 有效触发沿；

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module dff(clk, rst_n, din, dout);input clk;input rst_n;input din;output dout;reg dout;always@(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)	dout <= 1'b0;else	dout <= din;endendmodule

3: 带异步置位的寄存器输入/ 输出的模型

如下图所示，在每个时钟信号clk的有效沿，输入端数据din将被锁存到输出端dout；而在异步置位信号set的上升沿（高电平有效置位）将强制输出数据dout赋值位1，此输出状态将一直保持到set拉低后的下一个clk有效触发沿。

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module dff(input clk,input din,input set,output dout);reg dout;always@(posedge clk or posedge set)if(set) dout <= 1'b1;else dout <= din;endmodule

4 即带异步复位又带异步置位的寄存器

如下图所示，即带异步复位又带异步置位的寄存器其实是个很矛盾的模型，我们可以简单分析一下；如果set和clr 都处于无效状态（set 0 ，clr 1），那么寄存器正常工作；如果set 1 且clr 1，那么dout 1 ；如果set 0 且 clr 0 ， dout 0；但是 set 1， clr 0，输出dout是多少？
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这个问题就需要设置一个优先级。上图是理想寄存器模型，通常知识作为电路的一部分来实现的。如果读者期望这种即带异步复位，又带异步置位的寄存器在复位和置位同时出现时，异步复位的优先级要高一些，呢么代码原理图和书写方式可以如下：
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module dff (input clk,inpur din,input rst_n,input set,output dout
);reg dout;always@(posedge clk or negedge rst_n posedge set) if(!rst_n) dout <= 1'b0;else if(set) dout <= 1'b1;else dout <= din;

5 带同步使能寄存器

如下图所示，这是一种很常见的带同步使能的寄存器。在每个时钟clk的有效沿，判断使能信号ena是否有效（通常取高电平有效），在ena信号有效的情况下din的值才会输出到dout信号上。
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module dff(input clk,input din,input ena,output dout
);reg dout;always@(posedge clk) if(ena) dout <= din;

2 同步以及时钟的设计原则

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这段话说明的含义是：当轮船还处于上一级闸门准备进入下一级闸门时，要么当前闸门的水位要降低到下一级闸门的水平，要么下一级闸门的水位要升到上一级闸门的水平。只要这个条件不满足，最终结果都有可能造成轮船的颠簸甚至翻船。这也有点像寄存器锁存数据需要建立时间和保持时间的要求。

1 在时钟的有效沿之前，必须确保输入寄存器的数据在建立时间内是稳定的

2 在时钟的有效沿之后，必须确保寄存器的输出数据至少在保持时间内是稳定的

关于时钟的设计，主要有以下几个方面：

避免使用门控时钟或系统内部时钟逻辑产生的时钟，多用使能时钟去替代。
对于需要分频或倍频的时钟，用器件内部的专用时钟管理（如PLL或DLL）
尽量对输入的异步信号用时钟进行锁存
避免时钟异步信号进行复位或置位控制，异步信号不建议直接作为内部的复位或置位控制信号，最好能够用本地时钟锁存多拍后做同步处理。

3 提升系统性能的代码风格

减少关键路径的逻辑等级：通俗点说就是，减少关键路径上的逻辑运算。比如说三级级联改成二级
逻辑复制（减少重载信号的扇出）与资源共享。比如两个加法器改成一个加法器
消除组合逻辑中的毛刺：利用时序电路打拍的方式，可以有效降低