时序是设计出来的
我的boss有在华为及峻龙工作的背景，自然就给我们讲了一些华为及altera 做逻辑的一些东西，而我们的项目规范，也基本上是按华为的那一套去做。在工作这几个月中，给我感触最深的是华为的那句话：时序是设计出来的，不是仿出来的，更不是湊出来的。
在我们公司，每一个项目都有很严格的评审，只有评审通过了，才能做下一步的工作。以做逻辑为例，并不是一上来就开始写代码，而是要先写总体设计方案和逻辑详细设计方案，要等这些方案评审通过，认为可行了，才能进行编码，一般来说这部分工作所占的时间要远大于编码的时间。
总体方案主要是涉及模块划分，一级模块和二级模块的接口信号和时序（我们要求把接口信号的时序波形描述出来）以及将来如何测试设计。在这一级方案中，要保证在今后的设计中时序要收敛到一级模块（最后是在二级模块中）。什么意思呢？我们在做详细设计的时候，对于一些信号的时序肯定会做一些调整的，但是这种时序的调整最多只能波及到本一级模块，而不能影响到整个设计。记得以前在学校做设计的时候，由于不懂得设计时序，经常因为有一处信号的时序不满足，结果不得不将其它模块信号的时序也改一下，搞得人很郁闷。
在逻辑详细设计方案这一级的时候，我们已经将各级模块的接口时序都设计出来了，各级模块内部是怎么实现的也基本上确定下来了。
由于做到这一点，在编码的时候自然就很快了，最重要的是这样做后可以让设计会一直处于可控的状态，不会因为某一处的错误引起整个设计从头进行。
==================================================================== 如何提高电路工作频率
对于设计者来说，我们当然希望我们设计的电路的工作频率（在这里如无特别说明，工作频率指FPGA片内的工作频率）尽量高。我们也经常听说用资源换速度，用流水的方式可以提高工作频率，这确实是一个很重要的方法，今天我想进一步去分析该如何提高电路的工作频率。
我们先来分析下是什么影响了电路的工作频率。
我们电路的工作频率主要与寄存器到寄存器之间的信号传播时延及
clock skew有关。在FPGA内部如果时钟走长线的话，clock skew很小，基本上可以忽略, 在这里为了简单起见，我们只考虑信号的传播时延的因素。
信号的传播时延包括寄存器的开关时延、走线时延、经过组合逻辑的时延（这样划分或许不是很准确，不过对分析问题来说应该是没有可以的），要提高电路的工作频率，我们就要在这三个时延中做文章，使其尽可能的小。
我们先来看开关时延，这个时延是由器件物理特性决定的，我们没有办法去改变，所以我们只能通过改变走线方式和减少组合逻辑的方法来提高工作频率。
1.通过改变走线的方式减少时延。
以altera的器件为例，我们在quartus里面的timing closure floorplan 可以看到有很多条条块块，我们可以将条条块块按行和按列分，每一个条块代表1个LAB，每个LAB里有8个或者是10个LE。它们的走线时延的关系如下：同一个LAB中（最快） < 同列或者同行 < 不同行且不同列。我们通过给综合器加适当的约束（不可贪心，一般以加5%裕量较为合适，比如电路工作在100Mhz，则加约束加到105Mhz就可以了，贪心效果反而不好，且极大增加综合时间）可以将相关的逻辑在布线时尽量布的靠近一点，从而减少走线的时延。（注：约束的实现不完全是通过改进布局布线方式去提高工作频率，还有其它的改进措施）
2.通过减少组合逻辑的减少时延。
上面我们讲了可以通过加约束来提高工作频率，但是我们在做设计之初可万万不可将提高工作频率的美好愿望寄托在加约束上，我们要通过合理的设计去避免出现大的组合逻辑，从而提高电路的工作频率，这才能增强设计的可移植性，才可以使得我们的设计在移植到另一同等速度级别的芯片时还能使用。我们知道，目前大部分FPGA都基于4输入LUT的，如果一个输出对应的判断条件大于四输入的话就要由多个LUT级联才能完成，这样就引入一级组合逻辑时延，我们要减少组合逻辑，无非就是要输入条件尽可能的少，，这样就可以级联的LUT
更少，从而减少了组合逻辑引起的时延。
我们平时听说的流水就是一种通过切割大的组合逻辑（在其中插入一级或多级D触发器，从而使寄存器与寄存器之间的组合逻辑减少）来提高工作频率的方法。比如一个32位的计数器，该计数器的进位链很长，必然会降低工作频率，我们可以将其分割成4位和8位的计数，每当4位的计数器计到15后触发一次8位的计数器，这样就实现了计数器的切割，也提高了工作频率。
在状态机中，一般也要将大的计数器移到状态机外，因为计数器这东西一般是经常是大于4输入的，如果再和其它条件一起做为状态的跳变判据的话，必然会增加LUT的级联，从而增大组合逻辑。以一个6输入的计数器为例，我们原希望当计数器计到111100后状态跳变，现在我们将计数器放到状态机外，当计数器计到111011后产生个enable信号去触发状态跳变，这样就将组合逻辑减少了。
上面说的都是可以通过流水的方式切割组合逻辑的情况，但是有些情况下我们是很难去切割组合逻辑的，在这些情况下我们又该怎么做呢？
状态机就是这么一个例子，我们不能通过往状态译码组合逻辑中加入流水。如果我们的设计中有一个几十个状态的状态机，它的状态译码逻辑将非常之巨大，毫无疑问，这极有可能是设计中的关键路径。那我们该怎么做呢？还是老思路，减少组合逻辑。我们可以对状态的输出进行分析，对它们进行重新分类，并根据这个重新定义成一组组小状态机，通过对输入进行选择(case语句)并去触发相应的小状态机，从而实现了将大的状态机切割成小的状态机。在ATA6的规范中（硬盘的标准），输入的命令大概有20十种，每一个命令又对应很多种状态，如果用一个大的状态机（状态套状态）去做那是不可想象的，我们可以通过case语句去对命令进行译码，并触发相应的状态机，这样做下来这一个模块的频率就可以跑得比较高了。
总结：提高工作频率的本质就是要减少寄存器到寄存器的时延，最有效的方法就是避免出现大的组合逻辑，也就是要尽量去满足四输入的条件，减少LUT
级联的数量。我们可以通过加约束、流水、切割状态的方法提高工作频率。
===================================================================== ==============
做逻辑的难点在于系统结构设计和仿真验证
刚去公司的时候BOSS就和我讲，做逻辑的难点不在于RTL级代码的设计，而在于系统结构设计和仿真验证方面。目前国内对可综合的设计强调的比较多，而对系统结构设计和仿真验证方面似乎还没有什么资料，这或许也从一个侧面反映了国内目前的设计水平还比较低下吧。
以前在学校的时候，总是觉得将RTL级代码做好就行了，仿真验证只是形式而已，所以对HDL的行为描述方面的语法不屑一顾，对testbench也一直不愿意去学--因为觉得画波形图方便；对于系统结构设计更是一点都不懂了。
到了公司接触了些东西才发现完全不是这样。
其实在国外，花在仿真验证上的时间和人力大概是花在RTL级代码上的两倍，现在仿真验证才是百万门级芯片设计的关键路径。仿真验证的难点主要在于怎么建模才能完全和准确地去验证设计的正确性（主要是提高代码覆盖），在这过程中，验证速度也是很重要的。
验证说白了也就是怎么产生足够覆盖率的激励源，然后怎么去检测错误。我个人认为，在仿真验证中，最基本就是要做到验证的自动化。这也是为什么我们要写testbench的原因。在我现在的一个设计中，每次跑仿真都要一个小时左右（这其实算小设计）。由于画波形图无法做到验证自动化，如果用通过画波形图来仿真的话，一是画波形会画死（特别是对于算法复杂的、输入呈统计分布的设计），二是看波形图要看死，三是检错率几乎为零。
那么怎么做到自动化呢？我个人的水平还很有限，只能简单地谈下BFM （bus function model，总线功能模型）。
以做一个MAC的core为例（背板是PCI总线），那么我们需要一个MAC_BFM 和PCI_BFM及PCI_BM（PCI behavior model）。MAC_BFM的主要功能是产生以太网帧(激励源），随机的长度和帧头，内容也是随机的,在发送的同时也将其复制一份到PCI_BM中；PCI_BFM的功能则是仿PCI总线的行为，比如被测收到了一个正确帧后会向PCI总线发送一个请求，PCI_BFM则会去响应它，并将数据收进来；PCI_BM的主要功能是将MAC_BFM发送出来的东西与PCI_BFM接收到的东西做比较，由于它具有了MAC_BFM的发送信息和PCI_BFM的接收信息，只要设计合理，它总是可以自动地、完全地去测试被测是否工作正常，从而实现自动检测。
华为在仿真验证方面估计在国内来说是做的比较好的，他们已建立起了比较好的验证平台，大部分与通信有关的BFM都做好了，听我朋友说，现在他们只需
要将被测放在测试平台中，并配置好参数，就可以自动地检测被测功能的正确与否。
在功能仿真做完后，由于我们做在是FPGA的设计，在设计时已经基本保证RTL级代码在综合结果和功能仿真结果的一致性，只要综合布局布线后的静态时序报告没有违反时序约束的警告，就可以下到板子上去调试了。事实上，在华为中兴，他们做FPGA的设计时也是不做时序仿真的，因为做时序仿真很花时间，且效果也不见得比看静态时序分析报告好。
当然了，如果是ASIC的设计话，它们的仿真验证的工作量要大一些，在涉及到多时钟域的设计时，一般还是做后仿的。不过在做后仿之前，也一般会先用形式验证工具和通过静态时序分序报告去查看有没有违反设计要求的地方，这样做了之后，后仿的工作量可以小很多。
在HDL语言方面，国内语言很多人都在争论VHDL和verilog哪个好，其实我个人认为这并没有多大的意义，外面的大公司基本上都是用verilog在做RTL
级的代码，所以还是建议大家尽量学verilog。在仿真方面，由于VHDL在行为级建模方面弱于verilog，用VHDL做仿真模型的很少，当然也不是说verilog 就好，其实verilog在复杂的行为级建模方面的能力也是有限的，比如目前它还不支持数组。在一些复杂的算法设计中，需要高级语言做抽象才能描述出行为级模型。在国外，仿真建模很多都是用System C和E语言，用verilog的都算是很落后的了，国内华为的验证平台好像是用System C写。
在系统结构设计方面，由于我做的设计还不够大，还谈不上什么经验，只是觉得必须要具备一些计算机系统结构的知识才行。划分的首要依据是功能，之后是选择合适的总线结构、存储结构和处理器架构，通过系统结构划分要使各部分功能模块清晰，易于实现。这一部分我想过段时间有一点体会了再和大家分享，就先不误导大家了。
该文章版权归 smarteebit 所有。若有疑问，请联系 songmin2@https://www.doczj.com/doc/2f4974468.html,
高速数字设计的经典案例若干则
【摘要】 随着这些年半导体工艺突飞猛进的发展， “高速数字设计”对广大硬件工程师来说，已经不再是一 个陌生的词。从航空、雷达到汽车电子，从无线通信到有线接入，甚至在一些低端的嵌入式系统上，高 速数字电路都已经在大行其道。 目前行业内已经有不少关于高速数字电路理论的好文章， 笔者就不在这 上面掺和了。 本文着眼于理论和实际相结合， 所用的素材都来自笔者亲历过的案例， 相信活生生的事实， 比空洞的理论更有说服力，也希望能使入行不久的硬件工程师们得到他们想要的信息，今后少走弯路。 由于不会对理论作过多的阐述， 因此， 本文的阅读对象应该具有一点点高速数字设计的理论基础， 请知。 【关键词】 高速数字设计 高速数字电路 案例
1 信号完整性
什么词汇在高速数字设计中出现得最多？对了，SI（Signal Integrity），也就是信号完整性。信 号完整性问题的表现形式多种多样，主要有如下种类：
图 1 过冲（OVERSHOOT）
图 2 振铃（RING）
图 3 非单调性（NON MONOTONIC）
过冲： 当较快的信号沿驱动一段较长的走线， 而走线拓扑上又没有有效的匹配时， 往往会产生过冲。 过冲带来的问题主要是“1”电平高于接收端器件的输入最大电压值(VIHmax)，或“0”电平低于接收端 器件的输入最小电压值(VILmin)，这样可能给器件带来潜在的累积性伤害，缩短其工作寿命，从而影响 产品的长期稳定性。
Smarteebit
Page 1 of 17
综合：不可综合的运算符：= = = ，!= =，/（除法），%（取余数）。 1、不使用初始化语句。 2、不使用带有延时的描述。 3、不使用循环次数不确定的循环语句，如：forever、while等。 4、尽量采用同步方式设计电路。 5、除非是关键路径的设计，一般不调用门级元件来描述设计的方法，建议采用行为语句来完成设计。 6、用always过程块描述组合逻辑，应在信号敏感列表中列出所有的输入信号。 7、所有的内部寄存器都应该能够被复位，在使用FPGA实现设计时，应尽量使用器件的全局复位端作为系统总的复位。 8、在verilog模块中，任务（task）通常被综合成组合逻辑的形式，每个函数（function）在调用时通常也被综合为一个独立的组合电路模块。 9、用户自定义原语（UDP）是不可综合的，它只能用来建立门级元件的仿真模型。 一般综合工具支持的V erilog HDL结构
移位运算符：V erilog HDL提供向右（>>）及向左(<<)两种运算符，运算符高位或地位一旦移出即予丢弃，其空缺的位则予以补零。 连续赋值语句（assign）、case语句、if…else语句都是可以综合的 initial 语句内若包含有多个语句时，必须以begin end 作聚合；单一的初值赋值，因此并不需以begin end做聚合。 循环（Loops）并不能单独地在程序中存在，而必须在initial和always块中才能使用。initial过程块中的语句仅执行一次，而always块中的语句是不断重复执行的。 编写顶层模块的注意事项 每个端口除了要声明是输入、输出还是双向外，还要声明其数据类型，是连线型（wire）还是寄存器型（reg），如果没有声明则综合器默认为wire型。 1、输入和双向端口不能声明为寄存器型。 2、在测试模块中不需要定义端口。 编写testbentch所归纳的心得
数字电路综合设计案例 8.1 十字路口交通管理器 一、要求 设计一个十字路口交通管理器，该管理器自动控制十字路口两组红、黄、绿三色交通灯，指挥各种车辆和行人安全通过。 二、技术指标 1、交通管理器应能有效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间按需要和实际情况设定。 2、在某条道路上有老人、孩子或者残疾人需要横穿马路时，他们可以举旗示意， 执勤人员按动路口设置的开关，交通管理器接受信号，在路口的通行方向发生转换时，响应上述请求信号，让人们横穿马路，这条道上的车辆禁止通行，即管理这条道路的红灯亮。 3、横穿马路的请求结束后，管理器使道口交通恢复交替通行的正常状态。 三、设计原理和过程： 本课题采用自上而下的方法进行设计。 1．确定交通管理器逻辑功能 ⑴、十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。其中红灯亮表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。因此，十字路口车辆运行情况有以下几种可能： ①甲道通行，乙道禁止通行； ②甲道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车），乙道仍然禁止通行，以便让甲道停车线以内的车辆安全通过； ③甲道禁止通行，乙道通行； ④甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。 ⑵、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为30秒~2分钟，可视需要和实际情况调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为5秒~10秒，且也可调整。 ⑶、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行—禁止情况完毕后， 阻止要求横穿的那条马路上车辆的通行。换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。 设S1和S2分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应S1或S2的时间必定在甲道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。这种规定是为了简化设计。 由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图8-1所示，它的简单逻辑流程图如图8-2所示。示意图中甲道的红、黄、绿灯分别用R、Y、G表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用r、y、g表示。简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为60秒，停车时间为10秒。
给两个例子， 一个是VHDL做顶层调用verilog 一个是verilog 做顶层调用VHDL VHDL调用verilog： module sync_block #( parameter INITIALISE = 2'b00 ) ( input clk, // clock to be sync'ed to input data_in, // Data to be 'synced' output data_out // synced data ); //VHD entity dcm_reset is port( ref_reset : in std_logic; -- Synchronous reset in ref_clk domain ref_clk : in std_logic; -- Reliable reference clock of known frequency (125MHz) dcm_locked : in std_logic; -- The DCM locked signal dcm_reset : out std_logic -- The reset signal which should be connected to the DCM ); end dcm_reset; component sync_block port ( clk : in std_logic; -- clock to be sync'ed to data_in : in std_logic; -- Data to be 'synced' data_out : out std_logic -- synced data ); end component; dcm_locked_sync_tx : sync_block port map( clk => ref_clk, data_in => dcm_locked, data_out => dcm_locked_sync ); verilog调用VHDL：（目标还是上述VHDL模块） module gmii_if ( …… ）; dcm_reset rx_dcm_reset ( .ref_reset (tx_reset), .ref_clk (tx_clk),
时序是设计出来的 我的boss有在华为及峻龙工作的背景，自然就给我们讲了一些华为及altera 做逻辑的一些东西，而我们的项目规范，也基本上是按华为的那一套去做。在工作这几个月中，给我感触最深的是华为的那句话：时序是设计出来的，不是仿出来的，更不是湊出来的。 在我们公司，每一个项目都有很严格的评审，只有评审通过了，才能做下一步的工作。以做逻辑为例，并不是一上来就开始写代码，而是要先写总体设计方案和逻辑详细设计方案，要等这些方案评审通过，认为可行了，才能进行编码，一般来说这部分工作所占的时间要远大于编码的时间。 总体方案主要是涉及模块划分，一级模块和二级模块的接口信号和时序（我们要求把接口信号的时序波形描述出来）以及将来如何测试设计。在这一级方案中，要保证在今后的设计中时序要收敛到一级模块（最后是在二级模块中）。什么意思呢？我们在做详细设计的时候，对于一些信号的时序肯定会做一些调整的，但是这种时序的调整最多只能波及到本一级模块，而不能影响到整个设计。记得以前在学校做设计的时候，由于不懂得设计时序，经常因为有一处信号的时序不满足，结果不得不将其它模块信号的时序也改一下，搞得人很郁闷。 在逻辑详细设计方案这一级的时候，我们已经将各级模块的接口时序都设计出来了，各级模块内部是怎么实现的也基本上确定下来了。 由于做到这一点，在编码的时候自然就很快了，最重要的是这样做后可以让设计会一直处于可控的状态，不会因为某一处的错误引起整个设计从头进行。 ==================================================================== 如何提高电路工作频率 对于设计者来说，我们当然希望我们设计的电路的工作频率（在这里如无特别说明，工作频率指FPGA片内的工作频率）尽量高。我们也经常听说用资源换速度，用流水的方式可以提高工作频率，这确实是一个很重要的方法，今天我想进一步去分析该如何提高电路的工作频率。 我们先来分析下是什么影响了电路的工作频率。 我们电路的工作频率主要与寄存器到寄存器之间的信号传播时延及 clock skew有关。在FPGA内部如果时钟走长线的话，clock skew很小，基本上可以忽略, 在这里为了简单起见，我们只考虑信号的传播时延的因素。 信号的传播时延包括寄存器的开关时延、走线时延、经过组合逻辑的时延（这样划分或许不是很准确，不过对分析问题来说应该是没有可以的），要提高电路的工作频率，我们就要在这三个时延中做文章，使其尽可能的小。 我们先来看开关时延，这个时延是由器件物理特性决定的，我们没有办法去改变，所以我们只能通过改变走线方式和减少组合逻辑的方法来提高工作频率。
本文档含有很多Verilog HDL例子：//与门 module zxhand2(c,a,b); input a,b; output c; assign c= a & b; endmodule //或门 module zxhor2(c,a,b); input a,b; output c; assign c= a | b; endmodule //非门 module zxhnot2(c,b); input b; output c; assign c=~ b; endmodule ////异或门 module zxhxro2(c,a,b); input b; output c; assign c=a ^ b; endmodule 两选一电路 module data_scan(d0,d1,sel,q); output q; input d0,d1,sel; wire t1,t2,t3; n1 zxhand2(t1,d0,sel); n2 zxhnot2 (t4,sel); n3 zxhand2(t2,d1,t4); n4 zxhor2(t3,t1,t2);
assign q=t1; endmodule verilog HDL实例（一） 练习一．简单的组合逻辑设计 目的: 掌握基本组合逻辑电路的实现方法。 这是一个可综合的数据比较器，很容易看出它的功能是比较数据a与数据b，如果两个数据相同，则给出结果1，否则给出结果0。在Verilog HDL中，描述组合逻辑时常使用assign结构。注意 equal=(a==b)?1:0,这是一种在组合逻辑实现分支判断时常使用的格式。 模块源代码： //--------------- compare.v ----------------- module compare(equal,a,b); input a,b; output equal; assign equal=(a==b)?1:0; //a等于b时，equal输出为1；a不等于b时， //equal输出为0。 endmodule 测试模块用于检测模块设计得正确与否，它给出模块的输入信号，观察模块的内部信号和输出信号，如果发现结果与预期的有所偏差，则要对设计模块进行修改。 测试模块源代码： `timescale 1ns/1ns //定义时间单位。 module comparetest; reg a,b; wire equal; initial //initial常用于仿真时信号的给出。 begin a=0; b=0; #100 a=0; b=1; #100 a=1; b=1; #100 a=1; b=0; #100 $stop; //系统任务，暂停仿真以便观察仿真波形。 end compare compare1(.equal(equal),.a(a),.b(b)); //调用模块。 Endmodule
Saber常见电路仿真实例 一稳压管电路仿真 (2) 二带输出钳位功能的运算放大器 (3) 三5V/2A的线性稳压源仿真 (4) 四方波发生器的仿真 (7) 五整流电路的仿真 (10) 六数字脉冲发生器电路的仿真 (11) 七分频移相电路的仿真 (16) 八梯形波发生器电路的仿真 (17) 九三角波发生器电路的仿真 (18) 十正弦波发生器电路的仿真 (20) 十一锁相环电路的仿真 (21)
一稳压管电路仿真 稳压管在电路设计当中经常会用到，通常在需要控制电路的最大输入、输出或者在需要提供精度不高的电压参考的时候都会使用。下面就介绍一个简单例子，仿真电路如下图所示： 在分析稳压管电路时，可以用TR分析，也可以用DT分析。从分析稳压电路特性的角度看，DT分析更为直观，它可以直接得到稳压电路输出与输入之间的关系。因此对上面的电路执行DT分析，扫描输入电压从9V到15V，步长为0.1V，分析结果如下图所示： 从图中可以看到，输入电压在9～15V变化，输出基本稳定在6V。需要注意的是，由于Saber仿真软件中的电源都是理想电源，其输出阻抗为零，因此不能直接将电源和稳压管相连接，如果直接连接，稳压管将无法发挥作用，因为理想电源能够输
出足以超出稳压管工作范围的电流。 二带输出钳位功能的运算放大器 运算放大器在电路设计中很常用,在Saber软件中提供了8个运放模板和大量的运放器件模型,因此利用Saber软件可以很方便的完成各种运方电路的仿真验证工作.如下图所示的由lm258构成的反向放大器电路,其放大倍数是5,稳压二极管1N5233用于钳位输出电压. 对该电路执行的DT分析,扫描输入电压从-2V->2V,步长为0.1V,仿真结果如下图所示:
一、组合逻辑实验 (2) 实验13X8译码器程序 (2) 实验2二－十进制译码器 (2) 实验3BCD码—七段数码管显示译码器 (3) 实验48－3编码器 (4) 实验58－3优先编码器 (4) 实验6十—二进制编码器 (5) 实验7三选一数据选择器 (5) 实验8半加器 (6) 实验9全加器 (7) 实验10半减器 (8) 实验11全减器 (8) 实验12多位数值比较器 (9) 实验13奇偶校验 (9) 实验14补码生成 (10) 实验158位硬件加法器的设计 (10) 实验164位并行乘法器 (10) 实验17七人表决器 (10) 实验18格雷码变换 (11) 二、时序逻辑实验 (11) 实验1D触发器 (11) 实验2JK触发器 (12) 实验3四位移位寄存器 (12) 实验4异步计数器 (13) 实验5同步计数器 (14) 实验6可逆计数器 (15) 实验7步长可变的加减计数器 (16) 实验8含异步清0和同步时钟使能的4位加法计数器 (17) 实验9顺序脉冲发生器 (18) 实验10序列信号发生器 (18) 实验11用状态机实现串行数据检测器 (19) 实验12分频器 (20) 实验13Moore状态机 (21) 实验14Mealy状态机 (23) 实验15三层电梯 (24) 实验16性线反馈移位寄存器（LFSR）设计 (32) 实验17正负脉宽数控调制信号发生器 (32) 三、存储器设计 (34) 实验1只读存储器（ROM） (34) 实验2SRAM (34) 实验3FIFO (35) 四、扩展接口实验 (39) 实验1流水灯 (39) 实验2VGA彩色信号显示控制器设计 (40)
个人总结Verilog编程27条经验 1.强烈建议用同步设计； 2.在设计时总是记住时序问题； 3.在一个设计开始就要考虑到地电平或高电平复位、同步或异步复位、上升沿 或下降沿触发等问题，在所有模块中都要遵守它； 4.在不同的情况下用if和case，最好少用if的多层嵌套（1层或2层比较合 适，当在3层以上时，最好修改写法，因为这样不仅可以reduce area，而且可以获得好的timing）； 5.在锁存一个信号或总线时要小心，对于整个design，尽量避免使用latch， 因为在DFT时很难test； 6.确信所有的信号被复位，在DFT时，所有的FlipFlop都是controllable； 7.永远不要再写入之前读取任何内部存储器（如SRAM）； 8.从一个时钟到另一个不同的时钟传输数据时用数据缓冲，他工作像一个双时 钟FIFO（是异步的），可以用Async SRAM搭建Async FIFO； 9.在VHDL中二维数组可以使用，它是非常有用的。在VERILOG中他仅仅可以使 用在测试模块中，不能被综合； 10.遵守register-in register-out规则； 11.像synopsys的DC的综合工具是非常稳定的，任何bugs都不会从综合工具中 产生 12.确保FPGA版本与ASIC的版本尽可能的相似，特别是SRAM类型，若版本一致 是最理想的，但是在工作中FPGA版本一般用FPGA自带的SRAM，ASIC版本一般用厂商提供的SRAM； 13.在嵌入式存储器中使用BIST； 14.虚单元和一些修正电路是必需的； 15.一些简单的测试电路也是需要的，经常在一个芯片中有许多测试模块； 16.除非低功耗不要用门控时钟，强烈建议不要在design中使用gate clock； 17.不要依靠脚本来保证设计。但是在脚本中的一些好的约束能够起到更好的性 能（例如前向加法器）； 18.如果时间充裕，通过时钟做一个多锁存器来取代用MUX； 19.不要用内部tri-state, ASIC需要总线保持器来处理内部tri-state，如IO cell； 20.在top level中作pad insertion； 21.选择pad时要小心（如上拉能力，施密特触发器，5伏耐压等），选择合适的 IO cell； 22.小心由时钟偏差引起的问题； 23.不要试着产生半周期信号； 24.如果有很多函数要修正，请一个一个地作，修正一个函数检查一个函数； 25.在一个计算等式中排列每个信号的位数是一个好习惯，即使综合工具能做； 26.不要使用HDL提供的除法器； 27.削减不必要的时钟。它会在设计和布局中引起很多麻烦，大多数FPGA有1－ 4个专门的时钟通道；
【例3.1】4位全加器 module adder4(cout,sum,ina,inb,cin); output[3:0] sum; output cout; input[3:0] ina,inb; input cin; assign {cout,sum}=ina+inb+cin; endmodule 【例3.2】4位计数器 module count4(out,reset,clk); output[3:0] out; input reset,clk; reg[3:0] out; always @(posedge clk) begin if (reset) out<=0; //同步复位 else out<=out+1; //计数 end endmodule 【例3.3】4位全加器的仿真程序 `timescale 1ns/1ns `include "adder4.v" module adder_tp; //测试模块的名字 reg[3:0] a,b; //测试输入信号定义为reg型 reg cin; wire[3:0] sum; //测试输出信号定义为wire型 wire cout; integer i,j; adder4 adder(sum,cout,a,b,cin); //调用测试对象 always #5 cin=~cin; //设定cin的取值 initial begin a=0;b=0;cin=0; for(i=1;i<16;i=i+1) #10 a=i; //设定a的取值 end - 1 -
initial begin for(j=1;j<16;j=j+1) #10 b=j; //设定b的取值 end initial//定义结果显示格式 begin $monitor($time,,,"%d + %d + %b={%b,%d}",a,b,cin,cout,sum); #160 $finish; end endmodule 【例3.4】4位计数器的仿真程序 `timescale 1ns/1ns `include "count4.v" module coun4_tp; reg clk,reset; //测试输入信号定义为reg型 wire[3:0] out; //测试输出信号定义为wire型 parameter DELY=100; count4 mycount(out,reset,clk); //调用测试对象 always #(DELY/2) clk = ~clk; //产生时钟波形 initial begin//激励信号定义 clk =0; reset=0; #DELY reset=1; #DELY reset=0; #(DELY*20) $finish; end //定义结果显示格式 initial $monitor($time,,,"clk=%d reset=%d out=%d", clk, reset,out); endmodule 【例3.5】“与-或-非”门电路 module AOI(A,B,C,D,F); //模块名为AOI(端口列表A，B，C，D，F) input A,B,C,D; //模块的输入端口为A，B，C，D output F; //模块的输出端口为F - 2 -
射频电路设计实例以及一些经常遇见的问射频电路设计很多人都会，那么你知道它的一些注意事项吗?在实际电路设计中，会遇到各种奇怪的问题，这就需要自己通过实践来积攒经验。真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折衷处理。当然，有许多重要的RF设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和驻波等，在全面掌握各类设计原则前提下的仔细规划是一次性成功设计的保证。 一、RF电路设计的常见问题 1、数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰 如果模拟电路(射频)和数字电路单独工作，可能各自工作良好。但是，一旦将二者放在同一块电路板上，使用同一个电源一起工作，整个系统很可能就不稳定。 这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源(>3 V)之间摆动，而且周期特别短，常常是纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间。使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于lμV。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到120 dB。显然.如果不能使数字信号与射频信号很好地分离。微弱的射频
信号可能遭到破坏,这样一来，无线设备工作性能就会恶化，甚至完全不能工作。 2、供电电源的噪声干扰 射频电路对于电源噪声相当敏感,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸人大部分电流,这是由于现代微控制器都采用CMOS工艺制造。因此，假设一个微控制器以lMHz的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦，必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚,严重时可能导致工作失效。 3、不合理的地线 如果RF电路的地线处理不当，可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计，即使没有地线层,大多数数字电路功能也表现良好。而在RF频段，即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。粗略地计算,每毫米长度的电感量约为l nH,433 MHz时10 toni PCB线路的感抗约27Ω。如果不采用地线层，大多数地线将会较长，电路将无法具有设计的特性。 4、天线对其他模拟电路部分的辐射干扰 在PCB电路设计中，板上通常还有其他模拟电路。 例如，许多电路上都有模，数转换(ADC)或数/模转换器(DAC)。射频发送器的天线发出的高频信号可能会到达ADC的模拟淙攵恕R蛭魏蔚缏废呗范伎赡苋缣煜咭谎⒊龌蚪邮誖F信号。如果ADC输入端的处理不合理，RF信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激。从而引起ADC偏差。 二、五大经验总结 1、射频电路布局原则 在设计RF布局时,必须优先满足以下几个总原则： (1)尽可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单地说，就是让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路;
verilog学习心得 1.数字电路基础知识：布尔代数、门级电路的内部晶体管结构、组合逻辑电路分析与设计、触发器、时序逻辑电路分析与设计 2.数字系统的构成：传感器AD 数字处理器DA 执行部件 3.程序通在硬件上的执行过程： C语言(经过编译)-->该处理器的机器语言(放入存储器)-->按时钟的节拍，逐条取出指令、分析指令、执行指令 4.DSP处理是个广泛概念，统指在数字系统中做的变换(DFT)、滤波、编码解码、加密解密、压缩解压等处理 5.数字处理器包括两部分：高速数据通道接口逻辑、高速算法电路逻辑 6.当前，IC产业包括IC制造和IC设计两部分，IC设计技术发展速度高于IC设计 7.FPGA设计的前续课程：数值分析、DSP、C语言、算法与数据结构、数字电路、HDL语言计算机微体系结构 8.数字处理器处理性能的提高：软件算法的优化、微体系结构的优化 9.数字系统的实现方式： 编写C程序,然后用编译工具得到通用微处理器的机器指令代码，在通用微处理器上运行(如8051/ARM/PENTUIM) 专用DSP硬件处理器 用FPGA硬件逻辑实现算法，但性能不如ASIC 用ASIC实现，经费充足、大批量的情况下使用，因为投片成本高、周期长 10.FPGA设计方法：IP核重用、并行设计、层次化模块化设计、top-down思想 FPGA设计分工：前端逻辑设计、后端电路实现、仿真验证 11.matlab的应用： matlab中有许多现成的数学函数可以利用，节省了复杂函数的编写时间 matlab可以与C程序接口 做算法仿真和验证时能很快生成有用的数据文件和表格 DSP builder可以直接将simulink模型转换成HDL代码，跳过了中间的C语言改写步骤 12.常规从算法到硬件电路的开发过程： 算法的开发 C语言的功能描述 并行结构的C语言改写 verilog的改写 仿真、验证、修正 综合、布局布线、投入实用 13.C语言改写成verilog代码的困难点： 并行C语言的改写，因为C本身是顺序执行，而不是并行执行 不使用C语言中的复杂数据结构，如指针 目前有将C语言转换成verilog的工具？ 14.HDL HDL描述方法是从电路图描述方法演化来的，相比来说更容易修改 符合IEEE标准的有verilog HDL和VHDL VHDL由美国国防部开发，有1987和1993两个版本 verilog由cadence持有，有1995、2001、2005三个版本 verilog较VHDL更有前景：具有模拟电路描述能力、不仅可以开发电路还可以验证电路、门级以下描述比VHDL强
Verilog HDL Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象 设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。 Verilog HDL 语言具有下述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。所有这些都使用同一种建模语言。此外，Verilog HDL语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。 Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。Verilog HDL提供了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。但是，Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。当然,完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。 =============================== 中文版Verilog HDL简明教程：第1章简介 Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。 Verilog HDL 语言具有下述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。所有这些都使用同一种建模语言。此外，Verilog HDL语言提供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。 Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog仿真器进行验证。语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。Verilog HDL提供了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。但是，Verilog HDL语言的核心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。当然,完整的硬件描述语言足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。 历史 Verilog HDL语言最初是于1983年由Gateway Design Automation公司为其模
jtag的经典例子 module jtag(TCK,TMS, TDI, PROGRAM_COUNT, SFR_DATA, SOURCE_DI, XRAMDI, PROGDI, TRESET, SCLK, //Output TDO, //SOURCE_AJ, DESTIN_AJ, XRAMAJ, PROGAJ, DESTIN_DOJ, XRAMDOJ, PROGRAM_COUNTJ, PROGDOJ, NXRAMRJ, nXRAMWJ, NPSENJ ,PROGWE, SFR_WRITEJ, Write_SFR, Read_SFR , Read_RAM, NDESTIN_WEJ, nDESTIN_WEJ, Write_PC, ICReset,ICDisable,ICClock_Disable,ICClock_Enable ); //Input input TCK; input TMS; input TDI; input TRESET; input SCLK; //IC stop feedback signal at step_into state
input [15:0] PROGRAM_COUNT; //present PC value input [7:0] SFR_DATA; input [7:0] SOURCE_DI; input [7:0] XRAMDI; input [7:0] PROGDI; //Output output ICReset; output ICDisable; output ICClock_Disable; output TDO; //output [7:0] SOURCE_AJ; //output [15:0] XRAMAJ; //output [15:0] PROGAJ; //output [7:0] DESTIN_DOJ; //output [7:0] XRAMDOJ; //output [7:0] PROGDOJ; //output [15:0] PROGRAM_COUNTJ; output Write_PC; output NXRAMRJ; output nXRAMWJ;//NXRAMWJ, output NPSENJ;
modul e and1(a, b, c); input a; input b; output c; assign c = a & b; endmodul e `timescale 1ns/1ns modul e t; reg a; reg b; wire c; and1 t(a,b,c); initial begin a=0; b=0; #100 a = 1; b = 0; #100 a = 0; b = 1; #100 a = 0; b = 0; #100 a = 1; b = 1; #100 $stop;
end initial $monitor("a = %d, ", a, " b = %d, ", b, "c = %d\n", c); endmodul e modul e add(a, b, in, c, out); input a; input b; input in; output c; output out; assign {out, c} = a + b + in; endmodul e `timescal e 1ns/1ns modul e count_t; reg clk; reg a; reg b; reg in; wire c; wire out; ad d process(a, b, in, c, out);
initial clk = 0; always forever #5 clk = ~clk; initial begin a = 0; b = 0; in = 0; #10 a = 0; b = 0; in = 1; #10 a = 0; b = 1; in = 0; #10 a = 0; b = 1; in = 1; #10 a = 1; b = 0; in = 0; #10 a = 1; b = 0; in = 1; #10 a = 1; b = 1; in = 0; #10 a = 1; b = 1; in = 1; end initial begin #200 $finish; end initial $monitor(" out = %d, c = %d\n", out, c); endmodul e modul e compare (equal, a, b); input a,b; output equal; assign equal= (a==b)?1:0; endmodul e `timescal e 1ns/1ns modul e t; reg a, b; wire equal; initial begin a=0; b=0; #100 a = 1; b = 0;
、不使用初始化语句； 2、不使用延时语句； 3、不使用循环次数不确定的语句，如：forever，while等； 4、尽量采用同步方式设计电路； 5、尽量采用行为语句完成设计； 6、always过程块描述组合逻辑，应在敏感信号表中列出所有的输入信号； 7、所有的内部寄存器都应该可以被复位； 8、用户自定义原件（UDP元件）是不能被综合的。 一：基本 Verilog中的变量有线网类型和寄存器类型。线网型变量综合成wire，而寄存器可能综合成WIRE，锁存器和触发器，还有可能被优化掉。 二：verilog语句结构到门级的映射 1、连续性赋值：assign 连续性赋值语句逻辑结构上就是将等式右边的驱动左边的结点。因此连续性赋值的目标结点总是综合成由组合逻辑驱动的结点。Assign语句中的延时综合时都将忽视。 2、过程性赋值： 过程性赋值只出现在always语句中。 阻塞赋值和非阻塞赋值就该赋值本身是没有区别的，只是对后面的语句有不同的影响。 建议设计组合逻辑电路时用阻塞赋值，设计时序电路时用非阻塞赋值。 过程性赋值的赋值对象有可能综合成wire, latch,和flip-flop，取决于具体状况。如，时钟控制下的非阻塞赋值综合成flip-flop。 过程性赋值语句中的任何延时在综合时都将忽略。 建议同一个变量单一地使用阻塞或者非阻塞赋值。 3、逻辑操作符： 逻辑操作符对应于硬件中已有的逻辑门，一些操作符不能被综合：===、!==。 4、算术操作符：
Verilog中将reg视为无符号数，而integer视为有符号数。因此，进行有符号操作时使用integer,使用无符号操作时使用reg。 5、进位： 通常会将进行运算操作的结果比原操作数扩展一位，用来存放进位或者借位。如： Wire [3:0] A,B; Wire [4:0] C; Assign C=A+B; C的最高位用来存放进位。 6、关系运算符： 关系运算符：<,>,<=,>= 和算术操作符一样，可以进行有符号和无符号运算，取决于数据类型是reg，net还是integer。 7、相等运算符：==，！= 注意：===和！==是不可综合的。 可以进行有符号或无符号操作，取决于数据类型 8、移位运算符： 左移，右移，右边操作数可以是常数或者是变量，二者综合出来的结果不同。 9、部分选择： 部分选择索引必须是常量。 10、BIT选择： BIT选择中的索引可以用变量，这样将综合成多路（复用）器。 11、敏感表： Always过程中，所有被读取的数据，即等号右边的变量都要应放在敏感表中，不然，综合时不能正确地映射到所用的门。 12、IF： 如果变量没有在IF语句的每个分支中进行赋值，将会产生latch。如果IF语句中产生了latch，则IF的条件中最好不要用到算术操作。Case语句类似。Case的条款可以是变量。 如果一个变量在同一个IF条件分支中先赎值然后读取，则不会产生latch。如果先读取，后赎值，则会产生latch。
电子电路分析实例 Final revision by standardization team on December 10, 2020.
一款简单的恒流源电路图 如下图是一款简单的恒流源电路图，在该电路中：当±v,R b2、Rtii和Re被确定之后，c就被确定了，在一定范围内与负载电阻RL的大小无关，只要使管子的V伸工作在晶体管输出特性曲线的平坦部分，就可以保持Jc的不变。 （VT,Re反馈网络起到稳压） 1kHz低频载波振荡电路 所示的振荡电路设计在1 kHz载波振荡频率上，负载是影响尽量小的电压放大桥式振荡器，为了简化电路，使用两个2SB75晶体管，电源电压为12 V。 一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 f 0 能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 低频电压放大器 低频电压放大器是指工作频率在 20 赫～ 20 千赫之间、输出要求有一定电压值而不要求很强的电流的放大器。 （ 1 ）共发射极放大电路 图 1 （ a ）是共发射极放大电路。 C1 是输入电容， C2 是输出电容， VT 就是起放大作用的器件， RB 是基极偏置 ,RC 是集电极负载电阻。 1 、 3 端是输入， 2 、 3 端是输出。 3 端是公共点，通常是接地的，也称“地”端。静态时的直流通路见图 1
（ b ），动态时交流通路见图 1 （ c ）。电路的特点是电压放大倍数从十几到一百多，输出电压的相位和输入电压是相反的，性能不够稳定，可用于一般场合。 （ 2 ）分压式偏置共发射极放大电路 图 2 比图 1 多用 3 个元件。基极电压是由 RB1 和 RB2 分压取得的，所以称为分压偏置。发射极中增加电阻 RE 和电容 CE ， CE 称交流旁路电容，对交流是短路的； RE 则有直流负反馈作用。所谓反馈是指把输出的变化通过某种方式送到输入端，作为输入的一部分。如果送回部分和原来的输入部分是相减的，就是负反馈。图中基极真正的输入电压是 RB2 上电压和 RE 上电压的差值，所以是负反馈。由于采取了上面两个措施，使电路工作稳定性能提高，是应用最广的放大电路。 LC 振荡器 LC 振荡器的选频网络是 LC 谐振电路。它们的振荡频率都比较高，常见电路有 3 种。（ 1 ）变压器反馈 LC 振荡电路 图 1 （ a ）是变压器反馈 LC 振荡电路。晶体管 VT 是共发射极放大器。变压器 T 的初级是起选频作用的 LC 谐振电路，变压器 T 的次级向放大器输入提供正反馈信号。接通电源时， LC 回路中出现微弱的瞬变电流，但是只有频率和回路谐振频率 f 0 相同的电流才能在回路两端产生较高的电压，这个电压通过变压器初次级 L1 、 L2 的耦合又送回到晶体管 V 的基极。从图 1 （ b ）看到，只要接法没有错误，这个反馈信号电压是和输入信号电压相位相同的，也就是说，它是正反馈。因此电路的振荡迅速加强并最后稳定下来。
module adder4(cout,sum,ina,inb,cin); output[3:0] sum; output cout; input[3:0] ina,inb; input cin; assign {cout,sum}=ina+inb+cin; endmodule 【例3.2】4位计数器 module count4(out,reset,clk); output[3:0] out; input reset,clk; reg[3:0] out; always @(posedge clk) begin if (reset) out<=0; //同步复位 else out<=out+1; //计数 end endmodule 【例3.3】4位全加器的仿真程序 `timescale 1ns/1ns `include "adder4.v" module adder_tp; //测试模块的名字 reg[3:0] a,b; //测试输入信号定义为reg型 reg cin; wire[3:0] sum; //测试输出信号定义为wire型 wire cout; integer i,j; adder4 adder(sum,cout,a,b,cin); //调用测试对象 always #5 cin=~cin; //设定cin的取值 initial begin a=0;b=0;cin=0; for(i=1;i<16;i=i+1) #10 a=i; //设定a的取值 end - 1 -
initial begin for(j=1;j<16;j=j+1) #10 b=j; //设定b的取值 end initial//定义结果显示格式 begin $monitor($time,,,"%d + %d + %b={%b,%d}",a,b,cin,cout,sum); #160 $finish; end endmodule 【例3.4】4位计数器的仿真程序 `timescale 1ns/1ns `include "count4.v" module coun4_tp; reg clk,reset; //测试输入信号定义为reg型 wire[3:0] out; //测试输出信号定义为wire型 parameter DELY=100; count4 mycount(out,reset,clk); //调用测试对象 always #(DELY/2) clk = ~clk; //产生时钟波形 initial begin//激励信号定义 clk =0; reset=0; #DELY reset=1; #DELY reset=0; #(DELY*20) $finish; end //定义结果显示格式 initial $monitor($time,,,"clk=%d reset=%d out=%d", clk, reset,out); endmodule 【例3.5】“与-或-非”门电路 module AOI(A,B,C,D,F); //模块名为AOI(端口列表A，B，C，D，F) input A,B,C,D; //模块的输入端口为A，B，C，D output F; //模块的输出端口为F - 2 -