学fpga（组合逻辑和时序逻辑）

Posted 2022-04-09 费晓行

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        很多人都以为写fpga，就是编写verilog，学习一门编程语言而已。这种观点，其实只对了一半。verilog作为一门语言，其本身是为了简化数字电路设计而存在的。但是，这种语言，和软件的编程语言不一样。这是因为，软件的编程语言是变成一条一条的汇编指令，最终这些汇编指令都是由cpu来执行完成的。数字电路则不同，verilog里面的语句是需要变成门电路、触发器、rom、ram、消耗fpga资源的。因此，在编写的时候需要格外慎重。

        学过数字电路的同学，一般都会知道组合逻辑和时序逻辑。组合逻辑就是输出和输入是强相关的。只要输入发生变化，输出也会及时发生变化。时序逻辑则不同，它的输出只会发生在时钟上升沿或者下降沿的时候对输入进行响应。除此之外，时序逻辑还有记忆功能。这说明，输出结果除了和输入有关，还和历史状态有关，这本身就很有意义了。

        所以，真正学好fpga，并不是说谁的verilog语法了解的多谁就学的好。关键是还在于理清组合逻辑和时序逻辑，设计好时序。在根据功能需求设计好时序图之后，就可以尝试一下设计状态机。有了上面两个部分的加持，就可以把时序图转化为verilog语句了。

        有些同学说，为什么在fpga计算的过程中要拆分成组合逻辑和时序逻辑呢。这中间主要还是基于性能的考虑。假设时序逻辑之间的组合逻辑时间太长，这势必就会影响算法的运行频率。别人可以跑200M，你只能10M。如果把较长的运算过程拆分成若干个子状态，这样就可以实现流水线操作。数据a在做a状态运算时，数据b就可以做b状态运算。这样相比而言，运行效率就会比普通的组合逻辑高很多。

        说到绘画时序图，现在有很多很好的工具，比如说wavedrom，就是很好的选择。首先尝试编写组合逻辑，比如在浏览器url输入https://wavedrom.com/editor.html，

        对应的json文件是，

 "signal" : [
   "name": "input",         "wave": "01..01." ,
   "name": "output",     "wave": "01..01." 
]

        相关的效果图就是这样的，

        换成verilog代码就是，

assgin b = a;

        如果是时序图，那么需要加上clk、rst、cnt，json文件修改如下

 "signal" : [
   "name": "clk",         "wave": "p........." ,
   "name": "rst",     "wave": "01.0.......",phase:0.5 ,
   "name": "cnt",     "wave": "x223456789", data:["0","0","1","2","3","4","5","6","7"] 
]

        相对应的图形也会不同的，

        转换成verilog代码就是，

always@(posedge clk or posedge rst)
    if(rst)
        cnt <= 8'h0;
    else
        cnt <= cnt + 1;

        不管是什么样的需求或者是硬件协议标准，最终都是要转化成时序图、状态机的。所以开发过程中最好多画时序图，多画状态机。正向去开发软件，这样就会理解的更加深刻。虽然学习的过程中可能会慢一点。