9.2 Verilog 可综合性设计

Verilog 主要用于数字电路设计的描述,但不是所有的描述方式都可以被综合成实际的硬件电路。例如一些用于仿真验证的关键字,属于仿真验证语言,只能在仿真时使用,不能被综合成电路,如系统任务 $dsiplay, initial 语句等。所以使用 Verilog 设计数字电路时,一定要注意电路的可综合性。testbench 可以随心所欲,只要能构造出需要的仿真激励条件即可。

可综合与不可综合结构

所有综合工具都支持的结构

结构类型关键字描述
端口信号inout,input,output端口信号只有 3 种
参数parameter, localparam---
信号变量wire, reg, tri, integer---
模块module---
门级原语and,nand,or,nor,xor,xnor,buf,not,bufif0,bufif1,notif0,notif1,supply0,supply1直接调用例化即可
例化---支持模块例化、门级原语例化等
函数与任务function, task支持不含时序结构的表述
连续赋值assign不支持带有延迟的表述
过程赋值always, begin, end可设计时序逻辑或组合逻辑
条件语句if, case, default条件中不能包含"z"或"x"的比较
循环语句for, while, foreverwhile, forever 必须包含 @(posedge clk) 或 @(negedge clk), 避免组合逻辑回路
边沿触发negedge,posedge---
操作符---支持除 "===" 与 "!==" 以外的所有操作符

所有综合工具都不支持的结构

结构类型关键字描述
变量类型time仿真时使用的时间型变量
系统任务---大多数系统任务都是辅助仿真,不能综合为实际电路
例如 $display, $fopen, $finish 等。
过程结构initialinitial 常用作仿真时信号赋初值操作
或控制激励信号的时序
并行语句fork, join常用作仿真时并行结构的描述
always @(posedge clk) 描述的并行结构可综合
延迟语句#所有带延迟标志"#"的表述均不可综合
但仿真时电路中会有延时,综合时也不会报错
电平敏感触发wait多用于仿真中信号的检测启动
强制赋值和释放force, release多用于仿真中阻断其他驱动源,对信号进行强制赋值

综合工具可能支持的结构

结构类型关键字描述
x/z 条件语句casex, casez有些综合工具能识别该语句中的非"x/z"比较逻辑
不同强度的线网wand,triand,wor,trior当信号有多个驱动源时需要使用
但现在数字设计基本摒弃了这些变量类型
实数变量real往往用于仿真时的精确计算
过程终止disable终止过程块执行,大多数综合工具不支持该命令
循环语句repeat, while, foreverrepeat 常用作仿真中语句循环执行固定次数
while, forever 循环次数为常量时也可能可综合
用户自定义原语UDP其实目前大多数综合工具都支持 UDP
只是某些古老的综合工具不会识别
过程连续赋值assign, deassign工具大多不支持该操作下 reg 数据类型的综合
支持该操作下 wire 数据类型的综合

可综合设计建议

使用 Verilog 进行数字设计时,需要遵循以下原则:可综合的结构可大胆使用,不可综合的结构仿真中使用,有些综合工具支持有些不支持的结构尽量不使用。

除非某些特殊设计,例如 clkgate, 时钟切换等电路等,否则设计中不要编写潜在的会被综合成 Latch 的逻辑。详见《Verilog 教程》章节《6.5 Verilog 避免 Latch》

变量声明时不要学 C 语言格式对寄存器变量进行赋初值操作。仿真时变量会有设置的初值,综合后寄存器初值是不确定的。如果信号初值会影响逻辑功能,则仿真过程可能会因验证不充分而错过查找出逻辑错误的机会。

所有内部寄存器都应该使用复位进行赋初值操作,以确保系统复位时各寄存器都有稳定的状态。因为没有复位端,综合后电路中寄存器的初始值不能确定,可能会导致功能错误。

组合逻辑使用阻塞赋值,时序逻辑使用非阻塞赋值。组合逻辑一般使用连续赋值语句 assign 描述,always 描述的电路也能被综合成组合逻辑,例如"与逻辑"可以描述如下:


    reg     F ; //注意一定要是 reg 型变量
    always @*begin
        F = A & B ;
    end  

always 语句中被赋值的信号一定要声明为 reg 型,在组合逻辑中该 reg 变量会被综合成线网,在时序逻辑中该 reg 变量会被综合成触发器。

同一个变量不能受多个时钟(或 always 块)控制,也不能受时钟的双边沿控制。此类描述也是不可综合的。

避免设计中出现 XZ 值,因为综合工具只能识别 01 的逻辑值。

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