数字电路中应避免产生不必要的锁存器 Latch

锁存器（Latch）是数字逻辑电路中很重要的一种基本电路，常见的锁存器包括三个端口：数据输入口、数据输出口、使能端。当使能端为高电平时，输入口的数据直接送到输出口，此时输入输出口可以看成是直接连通的；当使能端为低电平时，输出口的数据保持之前的数据不变，无论输入口的数据怎么变化，输出都保持不变，就是把原来的状态锁存下来了（所以才叫锁存器）。锁存器与触发器的区别在于：锁存器是电平触发，而触发器是边沿触发。锁存器在不锁存数据时，输出随输入变化；但一旦数据锁存时，输入对输出不产生任何影响。

在FPGA电路设计中，不规范的描述语言可能会产生意想不到的锁存器，而设计者往往并没有注意到自己的设计会被综合出锁存器，导致综合出的电路出现逻辑错误。

在数字电路中，产生意外的锁存器的情况一般有以下两种：

1. if……else……结构中缺少else

先看一个实际的例子：

用quartus综合一下这两个电路，看看产生的RTL图是怎样的：

左边的电路：

右边的电路：

由RTL视图可以直观的看出，左边的电路没有生成锁存器，而右边的电路生成了一个我们不想要的锁存器（q1$latch)。左边的电路是时序逻辑，生成触发器，而触发器是有使能端（en）的，使能端无效时就可以保存数据，无需锁存器。右边的电路是组合逻辑，在en为低电平时，输出q1要保持不变，而组合逻辑没有存储元件，只能生成锁存器来保持数据。所以在时序逻辑中，不完整的 if…else… 结构并不会生成锁存器，而组合逻辑中不完整的 if…else… 结构就会生成锁存器。为了避免我们设计的组合逻辑中出现不想要的锁存器，在使用 if…else… 结构时一定要写完整。把刚才例子中右边的电路写完整，并查看其RTL视图如下：

写完整后，就没有生成锁存器，而是生成了一个二选一的选择器，这正是我们想要设计的。

2. case结构中的分支没有包含所有情况且没有default语句

case结构中一般要加上default语句，以保证出现意外情况也可以作出相应的反应。如果没有加default并且case分支不完整，当出现case分支中没有列出的情况时，电路状态保持原来的状态不变，于是就会生成锁存器来保存状态，如下图的电路所示：

图中case分支中只写了（se=0）的情况，而（se=1）的情况未给出，且没有写default，于是当（se=1）时，q1保持原来的值不变，这样就产生了锁存器（q1$latch)。

如果将case分支补全，或者加上default语句，则如下图所示：

补全case分支后，就不会生成锁存器了。

同样，只有在组合逻辑中的case结构才有可能产生锁存器，而在时序逻辑电路中，即使case结构中的分支不完整，也不会产生锁存器，如下图所示：

实际上，在时序逻辑中，由于触发器具有锁存数据的功能，所以不会生成锁存器，锁存器只会在组合逻辑电路中产生。

因此，在设计组合逻辑电路时，要注意将 if…else… 结构中的else写完整，case结构中一定要加上default语句，这样可以减少综合出锁存器的可能性。