FPGA总结——杂谈
数字设计
一、关于组合逻辑
竞争冒险：一个逻辑门的多个输入信号同时跳变（路径时延不同，使得状态改变的时刻有先有后）。这种现象叫做竞争，引起的结果称为冒险。
消除毛刺（冒险）：（1）增加冗余项；（2）加滤波电容；（3）加选通信号；
注：在平常实践中，可以使用如下小细节：（1）输出加D触发器；（2）使用格雷码；
注意理解组合逻辑与时序逻辑的差别。
二、关于时序逻辑
1. 时钟基础
1.1 常见时钟类型
（1）全局时钟；
（2）内部逻辑时钟，即组合逻辑和计数器分频产生的时钟。对于前者，一般禁止使用，对于后者，也应尽量少使用（用PLL、DLL、DCM替代）；
（3）门控时钟；（一般在组合逻辑中使用，且驱动门控时钟的逻辑都是只包含一个与门/或门，尽量避免使用，除非要求被使用以降低系统功耗）
推荐的门控时钟电路：
（拓展）使能时钟：主要是用于时序逻辑中，比门控时钟要来的稳定。
1.2 时钟抖动
芯片的某一个给定点上时钟周期发生暂时性变化，也就是说时钟周期在不同的周期上可能加长或缩短。它是一个平均值为0的平均变量。
1.3 Xilinx中与全局时钟资源和 DLL相关的硬件原语
IBUFG,IBUFGDS,BUFG,BUFGP,BUFGCE,BUFGMUX,BUFGDLL,DCM等。
1.4 同步电路设计
概念：所有电路均在同一时钟的上升沿或者下降沿触发下同步地工作。（多时钟应被视为同步电路概念的延伸，这个时候应尽量做到局部同步）
设计准则：
（1）尽可能使用统一时钟，并走全局时钟网络；
（2）避免使用混合时钟沿采样数据（即同时使用上升沿和下降沿）；
（3）尽量少使用分频器产生的时钟；
（4）避免使用门控时钟；
（5）当需要多个时钟时，尽量使局部同步（分成多个模块，每个模块一个时钟）；
个人总结：
同步逻辑和异步逻辑的概念应该都属于同步电路的范畴，它们都是由时钟来控制电路状态的跳变，只不过前者是有统一的时钟或时钟之间有固定的因果关系，后者则相反。
同步电路和异步电路的区别是：同步电路利用时钟脉冲使其子系统同步工作，而异步电路不依赖时钟，其逻辑输出和任何时钟信号都没关系，主要是组合逻辑电路。
1.5 FPGA设计中如何实现同步时序电路的延时
小延时：寄存器打一拍或几拍；
大延时：利用高速时钟产生计数器，用计数器控制延时；
2. 寄存器（reg）基础
（1）reg、wire。
（2）基础寄存器
（3）带异步复位的寄存器
（4）带异步置位的寄存器
（5）既带异步复位又带异步置位的寄存器
注：这种情况下，当可能出现set和clr同时有效时，可通过if……else语句设置优先级（比如使异步复位的优先级较高），综合出的电路为：
（6）带同步使能的寄存器
3.建立、保持时间及亚稳态
3.1 建立、保持时间
3.2 亚稳态的产生
如果触发器不满足建立时间和保持时间，则会进入亚稳态，即：触发器无法在某个规定的时间段内到达一个可以确认的状态。
3.3 如何消除
只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，亚稳态主要发生在异步信号检测、跨时钟域信号传输以及复位电路等常用设计中。针对这几种应用情况，改善方法如下：
3.3.1 降低系统工作时钟
3.3.2 用反应更快的触发器
3.3.3 引入同步机制
（1）对异步信号进行同步处理（加两级寄存器，即“一位同步器”）；
（2）采用FIFO对跨时钟域数据通信进行缓冲设计；
（3）对复位电路采用异步复位、同步释放方式处理。
3.3.4 改善时钟质量，用边沿变化快速的时钟信号
三、FPGA构造
1. 整体构造
可配置逻辑块（查找表+触发器） + 内部连接线 + 输入输出单元。（当然，现在的FPGA都比较复杂，芯片上通常还包含其他丰富的资源）
复杂FPGA：
2.查找表构造和原理
查找表（look-up-table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有 4位地址线的16x1的RAM。
当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
3.存储资源
3.1 FPGA中有哪两种存储器资源
一种叫BLOCK RAM,另一种是由LUT配置成的内部存储器（也就是分布式RAM）。
注意：BLOCK RAM由一定数量固定大小的存储块构成的，使用BLOCK RAM资源不占用额外的逻辑资源，并且速度快。但是使用的时候消耗的BLOCK RAM资源是其块大小的整数倍。
3.2 FPGA中可以综合实现为RAM/ROM/CAM的三种资源
BLOCK RAM ，触发器（FF），查找表（LUT）。
四、RTL设计思想及需要注意的问题
1. 基本描述方式
（1）数据流描述：assign语句，连续赋值语句
（2）行为级描述：always、initial语句，过程赋值语句
（3）结构化描述：实例化功能模块
2. 阻塞和非阻塞赋值
3. 代码的可综合性
行为级描述可基于不同的层次，如系统级、算法级、寄存器传输级（RTL级）、门级、开关级。目前的EDA工具只能综合RTL级以下的描述方式。
4. 能提升系统性能的代码风格
（1）流水线技术；（用寄存器分割较大的组合逻辑，提高设计频率）
（2）资源共享；（节省面积）
（3）逻辑复制；（用面积来换取时序性能的改善）
（4）改善关键路径的逻辑等级；
（5）消除组合逻辑的毛刺；
5. 状态机
5.1 分类——Moore型和Mealy型
Moore状态机：当前输出只与当前状态有关；（a）
Mealy状态机：当前输出与当前状态以及当前输入有关；（b）
5.2 写法
推荐使用两段式（2个always块）或者三段式（3个always块）写法。
（1）两段式
（2）三段式
总体来说，三段式是最优的状态机书写方式：
//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器 always @ (posedge clk or negedge rst_n) //异步复位 if(!rst_n) current_state <= IDLE; else current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值 //第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断 always @ (current_state) //电平触发 begin next_state = x; //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态 case(current_state) S1: if(...) next_state = S2; //阻塞赋值 ... endcase end //第三个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器输出 always @ (posedge clk or negedge rst_n) ...//初始化 case(next_state) S1: out1 <= 1'b1; //注意是非阻塞逻辑 S2: out2 <= 1'b1; default:... //default的作用是免除综合工具综合出锁存器。 endcase end //三段式并不是一定要写为3个always块，如果状态机更复杂，就不止3段了。
但是需要注意：
（1）第三段使用next_state和current_state的区别在于，当状态跳转时，基于next_state的输出是立刻变化的，而基于current_state输出会延迟一个周期，其他情况都一样，应该根据自己的时序要求，选择用next_state还是current_state。
（2）两段式在组合逻辑特别复杂时适用，但要注意需在后面加一个触发器以消除组合逻辑对输出产生的毛刺。三段式没有这个问题，由于第三个always会生成触发器。
（3）第二个always块中，组合逻辑电平要维持超过一个clock。
6. 需注意的问题
（1）在always或这initial块中被赋值的一定是reg型，在assign中被赋值的一定是wire型；
（2）一个变量不能在多个always块中被赋值；
（3）所有块和实例化模块都是并发执行的；
（4）时序逻辑使用非阻塞赋值（<=），组合逻辑使用阻塞赋值（=），且同一个块中不能混用。always块电平敏感时使用阻塞赋值；
（5）严禁组合逻辑出现反馈环路；
（6）if……else和case语句要完备，并设置default，防止产生latch；
（7）存储器的定义 reg [3:0] mem [0:7] ，位宽为4，地址0~7；
（8）状态机编码最好使用one-hot码，一个完备的状态机应该有初始状态和默认状态。
