Verilog語(yǔ)言與FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

VerilogHDL與FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)報(bào)告組成數(shù)字邏輯電路組合邏輯時(shí)序邏輯Verilog&FPGA開發(fā)經(jīng)驗(yàn)Verilog注意事項(xiàng)FPGA調(diào)試經(jīng)驗(yàn)時(shí)序分析基礎(chǔ)輸入/輸出延時(shí)與建立/保持時(shí)間的計(jì)算偽路徑對(duì)聽眾要求有一定的數(shù)字電路基礎(chǔ)；有Verilog&FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)歷；精通帶小數(shù)點(diǎn)的加減運(yùn)算。數(shù)字邏輯電路數(shù)字邏輯電路組合邏輯電路時(shí)序邏輯電路組合電路：一個(gè)電路，在某一時(shí)刻，它的輸出僅僅由該時(shí)刻的輸入所決定。（蔡惟錚.基礎(chǔ)電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2007）時(shí)序電路：一個(gè)電路，在某一時(shí)刻，它的輸出不僅僅由該時(shí)刻的輸入所決定，還取決于過(guò)去的輸入。（蔡惟錚.基礎(chǔ)電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2007）組合電路：基本邏輯門組合電路由邏輯門組成，是數(shù)字電路的基礎(chǔ)。C=A&B;C=A|B;B=~A;三態(tài)門：數(shù)據(jù)的雙向傳輸與總線的掛接B=(ENA)?A:1’bZ;組合電路：基本邏輯門問(wèn)題：門電路各種參數(shù)的含義與測(cè)量方法？UOHMINUOLMAXUILMAXUIHMINIOHMAXIOLMAXIIHMAXIILMAXTPHLtPLHtPD應(yīng)用：邏輯門的扇出系數(shù)IBIS模型中輸入輸出模型的各種特性曲線……組合電路：其他邏輯門C=~(A&B);C=~(A|B);C=(A&(~B))|((~A)&B);C=A^B;C=~((A&(~B))|((~A)&B));C=~(A^B);常用組合電路：譯碼器譯碼器3-8譯碼器輸入輸出G1G2AN+G2BNCBAY0NY1NY2NY3NY4NY5NY6NY7N0XXXX11111111X1XXX111111111000001111111100011011111110010110111111001111101111101001111011110101111110111011011111101101111111111074138真值表常用組合電路：譯碼器74138邏輯圖常用組合電路：數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器雙4選1數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器的RTL符號(hào)常用組合電路：數(shù)據(jù)選擇器輸入輸出GNBAY1XX0000C0001C1010C2011C374153真值表74153的1/2邏輯圖常用組合電路：加法器加法器雙全加器加法器的RTL符號(hào)常用組合電路：加法器輸入輸出CIABSUMCO0000000110010100110110010101011100111111常用組合電路：加法器74183的1/2邏輯圖常用組合電路：數(shù)值比較器數(shù)值比較器7485數(shù)值比較器比較器的RTL符號(hào)常用組合電路：數(shù)值比較器數(shù)值比較器邏輯圖競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)在組合電路中，同一信號(hào)經(jīng)由不同的途徑到達(dá)某一匯合點(diǎn)的時(shí)間有先有后，這種現(xiàn)象稱為競(jìng)爭(zhēng)。把門電路兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)向相反的邏輯電平跳變的現(xiàn)象叫競(jìng)爭(zhēng)。冒險(xiǎn)由競(jìng)爭(zhēng)引起的電路輸出發(fā)生瞬間錯(cuò)誤的現(xiàn)象稱為競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。(如輸出端產(chǎn)生的毛刺)“1”冒險(xiǎn)：L=A&A*競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)“0”冒險(xiǎn)：L=A+A*時(shí)序數(shù)字電路時(shí)序數(shù)字電路是由組合電路和存儲(chǔ)電路兩部分組成。（蔡惟錚.集成電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2007）存儲(chǔ)電路一般由觸發(fā)器組成。觸發(fā)器觸發(fā)器：一種具有存儲(chǔ)、記憶一位二進(jìn)制碼的器件。D鎖存器D觸發(fā)器?同步/異步時(shí)序數(shù)字電路時(shí)序數(shù)字電路分為同步時(shí)序數(shù)字電路和異步時(shí)序數(shù)字電路。時(shí)序電路同步時(shí)序電路異步時(shí)序電路同步/異步時(shí)序數(shù)字電路同步時(shí)序電路：存儲(chǔ)電路中觸發(fā)器的狀態(tài)由同一個(gè)時(shí)鐘控制。異步時(shí)序電路：觸發(fā)器不是由同一個(gè)時(shí)鐘控制，觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后。流水線流水線設(shè)計(jì)：把規(guī)模較大、層次較多的組合邏輯分成幾個(gè)級(jí)，在每一級(jí)插入寄存器組暫存中間數(shù)據(jù)。K級(jí)流水線就是從組合邏輯的輸入到輸出恰好有K級(jí)，每級(jí)一個(gè)寄存器組，上一級(jí)的輸出是下一集的輸入，且又無(wú)反饋。VerilogHDLHDL（HardwareDescriptionLanguage）：硬件描述語(yǔ)言，用于描述數(shù)字電路。Verilog代碼風(fēng)格良好的代碼風(fēng)格有助于綜合工具對(duì)邏輯進(jìn)行優(yōu)化。三態(tài)門三態(tài)信號(hào)僅在驅(qū)動(dòng)頂層的輸出/雙向引腳時(shí)可以用。在AlteraFPGA內(nèi)部的信號(hào)傳輸時(shí)不可以用三態(tài)門。moduletristate(myinput,myenable,mybidir);inputmyinput,myenable;inoutmybidir;assignmybidir=(myenable?myinput:1'bZ);endmodule三態(tài)門my_bidirA三態(tài)門Cyclone系類FPGA的I/O結(jié)構(gòu)

OE

Output

Input內(nèi)部總線掛接數(shù)據(jù)接收邏輯sdram_fifo邏輯cf_fifo邏輯數(shù)據(jù)接收邏輯sdram_fifo邏輯cf_fifo邏輯數(shù)據(jù)接收邏輯sdram_fifo邏輯cf_fifo邏輯usb邏輯S通道E通道A通道USB接口遙測(cè)422接收邏輯cf_fifo邏輯FPGA流水線組合邏輯:c0Tc1+Tc2+Tc3=Tc0Max{Tc1,Tc2,Tc3}Tc0<c1DQc2DQc3DQ流水線modulebinary_adder_tree2(a,b,c,d,e,clk,out);parameterwidth=16;input[width-1:0]a,b,c,d,e;inputclk;output[width-1:0]out;assignout=a+b+c+d+e;endmodulemodulebinary_adder_tree2(a,b,c,d,e,clk,out);parameterwidth=16;input[width-1:0]a,b,c,d,e;inputclk;output[width-1:0]out;wire[width-1:0]temp1,temp2,temp4;assigntemp1=a+b;assigntemp2=c+d;assigntemp3=temp1+temp2;assignout=temp3+e;//assignout=(a+b)+(c+d)+e;endmodule流水線modulebinary_adder_tree(a,b,c,d,e,clk,out);parameterwidth=16;input[width-1:0]a,b,c,d,e;inputclk;output[width-1:0]out;wire[width-1:0]sum1,sum2,sum3,sum4;reg[width-1:0]sumreg1,sumreg2,sumreg3,sumreg4;//Registersalways@(posedgeCLK)beginsumreg1<=sum1;sumreg2<=sum2;sumreg3<=sum3;sumreg4<=sum4;end//2-bitadditionsassignsum1=a+b;assignsum2=c+d;assignsum3=sumreg1+sumreg2;assignsum4=sumreg3+e;assignout=sumreg4;endmodulemodulebinary_adder_tree2(a,b,c,d,e,clk,out);parameterwidth=16;input[width-1:0]a,b,c,d,e;inputclk;output[width-1:0]out;assignout=(a+b)+(c+d)+e;endmodule狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)：注意事項(xiàng)如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯中包含算法，則QuartusII不會(huì)將其綜合成狀態(tài)機(jī)；如果狀態(tài)變量作為輸出信號(hào)，則QuartusII不會(huì)將其綜合成狀態(tài)機(jī)；QuartusII不會(huì)把有符號(hào)的變量綜合成狀態(tài)機(jī)；推薦用parameter來(lái)表示各個(gè)狀態(tài)，盡量不要直接用數(shù)字。case(state)0:beginif(ena)next_state<=state+2;elsenext_state<=state+1;end1:begin...endcase狀態(tài)機(jī)：注意事項(xiàng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入非法狀態(tài)后，就會(huì)停止正常工作，直到對(duì)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行復(fù)位?！癲efault”語(yǔ)句不會(huì)使?fàn)顟B(tài)機(jī)從非法狀態(tài)中跳出。導(dǎo)致狀態(tài)機(jī)進(jìn)入非法狀態(tài)的主要原因是控制信號(hào)來(lái)自于不同的時(shí)鐘域。Themostcommoncauseofthissituationisastatemachinethathascontrolinputsthatcomefromanotherclockdomain.case(state) 3'b000:state<=3'b001; 3'b001:state<=3'b010; 3'b010:state<=3'b100; 3'b100:state<=3'b000; default:state<=3'b000;endcase狀態(tài)機(jī)預(yù)防措施在QuartusII中啟用“SafeStateMachine”對(duì)異步控制信號(hào)進(jìn)行同步處理。參考：《QusrtusIIHandbookVersion9.0》——SectionII:DesignGuideline——SectionIII:Synthesis狀態(tài)機(jī)：defaultdefault僅對(duì)合法狀態(tài)有效，對(duì)非法狀態(tài)無(wú)效。Synthesistoolsremoveanylogicgeneratedbyadefaultstateifitisnotreachablebynormalstatemachineoperation.狀態(tài)機(jī)編寫規(guī)范case與if-elsecase和if-else一般會(huì)被綜合成多路選擇器。If-else通常被綜合成帶優(yōu)先級(jí)的多路選擇器。不需要指定選擇順序時(shí)，用case代替if-else，信號(hào)傳輸延時(shí)小。if(cond1)z=a;elseif(cond2)z=b;elseif(cond3)z=c;elsez=d;例1：DSP寫FPGADSP（2407）寫外部存儲(chǔ)器時(shí)序圖例1：DSP寫FPGA例1：DSP寫FPGA用2級(jí)寄存器做同步處理例1：DSP寫FPGA例2：時(shí)鐘測(cè)脈寬背景：雙通道AD并行采集ADCCLKOUTIns_AIns_BdataAdataBFPGASWITCHsynsyn例2：時(shí)鐘測(cè)脈寬延時(shí)導(dǎo)致測(cè)量誤差A(yù)DCCLKOUTIns_AIns_BSWITCH同步異步信號(hào)的扇出系數(shù)為1！例3：default的含義FIFO2CTRL.v邏輯中的6個(gè)狀態(tài)狀態(tài)機(jī)不在任何一個(gè)狀態(tài)例3：default的含義Default狀態(tài)為：WAIT_READ_CMD例3：default的含義最初懷疑QuartusII布局布線出了問(wèn)題出現(xiàn)概率很??！對(duì)異步控制信號(hào)進(jìn)行同步處理。修改Fitter選項(xiàng)例4：同步的缺點(diǎn)——延時(shí)高速卡數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序圖兩次同步判斷上升沿例4：同步的缺點(diǎn)——延時(shí)同步導(dǎo)致延時(shí)例5：競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)背景介紹高速數(shù)據(jù)采集器組成每塊高速電路板上有2塊CF卡背板×1主控卡×1低速卡×1高速卡×3例5：競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)用CS[2:0]做3塊高速卡的片選信號(hào)用IQ信號(hào)區(qū)分電路板上的2塊CF卡問(wèn)題：當(dāng)讀取高速卡上的Q路CF卡時(shí)，發(fā)現(xiàn)I路的CF卡也在上傳數(shù)據(jù)。概率極低：調(diào)試數(shù)月出現(xiàn)過(guò)2次。例5：競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)CS=0且IQ=0時(shí)，讀I卡；CS_I=(!CS)&(!IQ)產(chǎn)生“1”冒險(xiǎn)時(shí)序分析基礎(chǔ)tsuthtcotpdtsuthDQclocktcotpd時(shí)序分析基礎(chǔ)Tclkfmax=1/Tclk_mintskewDQDQtsutcotclk1tclk2tcdtndTclk≥(tclk1-tclk2)+tco+tcd+tnd+tsutskew=tclk1-tclk2輸入延時(shí)（InputDelay）tinput_delaytcdtndtsu0th0tpd_CLKtsuthtxLaunchclockLatchclockth0≤tinput_delay+tcd+tnd–tpd_clk

tsu0≤Tclk-(tinput_delay+tcd+tnd–tpd_clk)=tCLKs+tco+tBD-tCLKdtinput_delay輸入延時(shí)（InputDelay）Tmin_iTmax_itsuthth=tmin_i

≥th0tsu=Tclk-tmax_i

≥tsu0時(shí)序分析工具（TimeQuest）用最小輸入延時(shí)計(jì)算保持時(shí)間，用最大輸入延時(shí)計(jì)算建立時(shí)間。Tclk-tsu0≥tinput_delay≥th0輸入延時(shí)：練習(xí)

ADC

FPGAclkoutdatatsu≥2.5nsth≥2.0nsfclk=125M