我的 FPGA 学习历程（15）—— Verilog 的 always 语句综合

在本篇里，我们讨论 Verilog 语言的综合问题，Verilog HDL (Hardware Description Language) 中文名为硬件描述语言，而不是硬件设计语言。这个名称提醒我们是在描述硬件，即用代码画图。

在 Verilog 语言中，always 块是一种常用的功能模块，也是结构最复杂的部分。笔者初学时经常为 always 语句的编写而苦恼，不知道使用哪种赋值语句，不了解两种赋值之间的区别。究其本质是对 always 语句的综合一知半解，常年使用软件思维编写代码所致。

现在我总结出：always 块的综合可以分为至少三类电路，由于历史原因，三种电路均使用 always 关键字。

此外 reg 关键字也存在一些迷惑性，综合器并不一定生成寄存器。

reg 在 verilog 语法中的定义为变量，它有可能是寄存器，也有可能是连线。

第一类就是组合逻辑，如代码 1-1 和 代码 1-2

// 1-1 组合逻辑
always @ (*)
begin
    if(a>b)
        q = 1;
    else
        q = 0;
end

代码 1-1 是展示了一个简单组合逻辑的 always 块，它应该被综合成一个一位的比较器。

// 1-2 组合逻辑，缺少敏感信号
always @ (a)
begin
    if(a>b)
        q = 1;
    else
        q = 0;
end

代码 1-2 也是一个组合逻辑，与 1-1 不同的是，敏感信号列表中没有 b。

我们知道，在 Verilog 语法中， always 块的含义是一个重复执行的语句。

那么 1-2 会综合成一个比较器：

• 当 a 发生变化时，q 发生变化
• 当 b 发生变化，由于 b 不再敏感信号列表中，所以 q 不变

这是一个彻头彻尾的软件思维，世界上不存在这种电路，综合器多半会综合一个与代码 1-1 一样的电路，然后报一个警告。

编写组合逻辑的 always 块，使用 * 代替敏感信号列表是一个简单方便而且不容易出错的好办法。

第二类就是时序逻辑

// 2-1 时序逻辑
reg [1:0] q;
always @ (posedge clk)
begin
    q <= q + 1'b1;
end

注意：这里使用的是阻塞赋值，我们的 q 这个时候被综合成一个寄存器，而不是一个软件上的变量。

代码 2-1 是一个时序逻辑单元，它应该被综合成一个计数器，每当时钟的上升沿，q 自增一。综合后的 部分 RTL 图如下：

我们可以看到，q 通过了一个加法器，加法器是两位的。

而关键的 always 块的综合结果如下图所示：

我们可以看到，always 块综合了一个时钟上升沿触发的 D 触发器。每当时钟的上升沿，D 触发器就把输入 D 传递到另一侧 Q。

综合器就这样完成了我们的设计意图：D 的左侧总是等于 Q+1，只有在 时钟的上升沿，才完成值的传递。完整的RTL 图如下：

// 2-2 时序逻辑，带异步复位
reg [1:0] q;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
    if(!rst_n)
        q <= 2'b00;
    else
        q <= q + 1'b1;
end

综合后的 RTL 图如下：

代码2-2综合成一个带有清零端的 D 触发器，其余与 2-1 无异。

// 2-3 时序逻辑，带同步置位
reg [1:0] q;
always @ (posedge clk or posedge set)
begin
	if(set)
		q <= 2'b11;
	else
		q <= q + 1'b1;
end

代码 2-3 综合成一个带有同步置位的 D 触发器，其余与 2-1 无异。

// 2-4 时序逻辑，带同步置位和异步复位
reg [1:0] q;
always @ (posedge clk or posedge set or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		q <= 2'b00;
	else if(set)
		q <= 2'b11;
	else
		q <= q + 1'b1;
end

RTL 图：

可以看到多了个与门，代码 2-4 是代码 2-2 和 代码 2-3 的组合结果。

当然咯，这里的综合是指的逻辑综合，而实际上的综合和具体实现与逻辑无关。比如在 FPGA 芯片使用的是查找表LUT，并没有独立的组合逻辑。而仿真器则使用编译方法，仿真器把 verilog 语言编译为 x86 汇编并直接在 CPU 上运行。

好啦，本篇到这里就结束了，下一篇会深入讨论综合工具的一些其他细节。