在FPGA中何时用组合逻辑或时序逻辑

在设计FPGA时，大多数采用Verilog HDL或者VHDL语言进行设计（本文重点以verilog来做介绍）。设计的电路都是利用FPGA内部的LUT和触发器等效出来的电路。

数字逻辑电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。时序逻辑电路是由组合逻辑电路和时序逻辑器件构成（触发器），即数字逻辑电路是由组合逻辑和时序逻辑器件构成。所以FPGA的最小单元往往是由LUT（等效为组合逻辑）和触发器构成。

在进行FPGA设计时，应该采用组合逻辑设计还是时序逻辑？这个问题是很多初学者不可避免的一个问题。

设计两个无符号的8bit数据相加的电路。

组合逻辑设计代码：

module adder_8bit (

input   wire        [7:0]   dataa,

input   wire        [7:0]   datab,

output  wire        [8:0]   datas

);

assign datas = dataa + datab;

endmodule

对应的电路为：

时序逻辑对应代码为：

module adder_8bit (

input   wire                clk,

input   wire                rst_n,

input   wire        [7:0]   dataa,

input   wire        [7:0]   datab,

output  reg         [8:0]   datas

);

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

datas <= 9'd0;

else

datas <= dataa + datab;

end

endmodule

对应的电路为：

可以思考一下，这个两种设计方法都没有任何错误。那么在设计时应该用哪一种呢？

在设计时，有没有什么规定必须要用组合逻辑或者时序逻辑？例如：在verilog中，在always中被赋值了就必须是reg类型，assign赋值了就必须是wire类型。很遗憾的是，目前没有任何的规定。

下面几点笔者平时自己做设计的经验，在这里分享一下：

一、   带有反馈的必须用时序逻辑

何为带有有反馈？即输出结果拉回到输入。

自加一计数器。

代码为：

//  assign cnt  = cnt + 1'b1;

always @ (*) begin

cnt = cnt + 1'b1;

end

对应的电路为

这种电路在工作时，就会出现无限反馈，不受任何控制，一般情况下，我们认为结果没有任何意义。

和上面的情况类似的还有取反。

assign flag = ~flag;

类似情况还有很多就不在一一列举。

上述说的情况都是直接带有反馈，下面说明间接反馈。

代码为：

assign k = cnt * 2;

always @ (*) begin

cnt = k + 1'b1;

end

从代码上来看，没有什么明确反馈，下面看实际对应的电路

从实际的电路上来看，一旦运行起来，还是会出现无限反馈，不受任何控制。

还有一种情况是带有控制的反馈。

设计代码为：

always @ (flag) begin

if (flag == 1'b1)

cnt = cnt + 1'b1;

else

cnt = cnt;

end

这个电路可以等效为

在flag等于1期间，此电路依然会无限制的反馈，无法确定在此期间进行了多少次反馈。

从代码的角度理解是flag变化一次，加一次。可是对应于电路后，和预想的是不相同的。

说了这么多的这么多不对的情况，下面考虑正确的情况

设计代码为：

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

cnt <= 4'd0;

else

cnt <= cnt + 1'b1;

end

在上述的电路中，clk每来一个上升沿，cnt的数值增加一。可以用作计时使用。

利用寄存器将反馈路径切换即可。此时的反馈是可控制，并且此时的结果就有了意义。

其他的反馈中，加入寄存器即可。而加入寄存器后，就变为时序逻辑。

二、  根据时序对齐关系进行选择

在很多的设计时，没有反馈，那么应该如何选择呢？

举例说明：输入一个八位的数据（idata），然后将此八位数据进行平方后，扩大2倍，作为输出。要求输出结果（result）时，将原数据同步输出（odata），即数据和结果在时序上是对齐的。

设计代码为：

assign odata = idata;

assign result = 2 * (idata * idata);

这种设计方法是可以的，因为都采用组合逻辑设计，odata和result都是和idata同步的，只有逻辑上的延迟，没有任何时钟的延迟。

另外一种设计代码为：

assign odata = idata;

always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin

if (rst_n == 1'b0)

odata <= 17'd0;

else

result <= 2 * (idata * idata);

end

这种设计方法为错误，odata的输出是和idata同步的，而result的输出将会比idata晚一拍，最终导致result要比odata晚一拍，此时结果为不同步，设计错误。

修改方案为：将result的寄存器去掉，修改为组合逻辑，那就是第一种设计方案。第二种为将odata也进行时序逻辑输出，那么此时odata也将会比idata延迟一拍，最终结果为result和odata同步输出。

三、  根据运行速度进行选择

在数字逻辑电路中，中间某一部分为组合逻辑，两侧的输入或者输出也会对延迟或者输入的数据速率有一定的要求

组合逻辑1越复杂延迟越大，而导致的结果就是clk的时钟速率只能降低，进而导致设计结果失败。

当组合逻辑1无法进行优化时，还想要达到自己想要的速度时，我们可以进行逻辑拆分，增加数据的输出潜伏期，增加数据的运行速度。

将组合逻辑1的功能拆分为组合逻辑A和组合逻辑B，此时，输入的数据得到结果虽然会多延迟一拍，但是数据的流速会变快。

那么这个和选用组合逻辑和时序逻辑有什么关系呢？

举例说明：目前要设计模块A，不涉及反馈，不涉及时序对齐等，可以采取组合逻辑设计也可以采用时序逻辑设计。

模块A的输出连接到模块B，经过一些变换（组合逻辑N）连接到某个寄存器K上。如果模块A采用组合逻辑，那么模块A的组合逻辑和模块B到达寄存器K之前的组合逻辑N会合并到一起。那么此时组合逻辑的延迟就会变得很大，导致整体设计的时钟速率上不去。

当运行速率比较快时，建议对于复杂的组合逻辑进行拆分，有利于时序分析的通过。

在上述的三个规则中，第一个和第二个用的是最多的，第三个在设计时，有时不一定能够注意到，当出现时序违例时，知道拆分能够解决问题就可以。

设计者：郝旭帅         QQ：746833924     QQ交流群: 173560979