锁存器(Latch)的产生与特点

Latch 是什么

Latch 其实就是锁存器，是一种在异步电路系统中，对输入信号电平敏感的单元，用来存储信息。锁存器在数据未锁存时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过一个缓冲器，一旦锁存信号有效，则数据被锁存，输入信号不起作用。因此，锁存器也被称为透明锁存器，指的是不锁存时输出对于输入是透明的。

几种产生 Latch 的情况

1. 组合逻辑中 if 语句没有 else；

2. 组合逻辑中 case 的条件不能够完全列举时且不写 default；

3. 组合逻辑中输出变量赋值给自己。

   其中包括
   情况一：if-else中出现输出变量赋值给自己；
   情况二：case中出现输出变量赋值给自己；
   情况三：assign中出现输出变量赋值给自己(如下)

module latch
(//=========================< Port Name >==============================//inputinput 	  	wire 					data				,input 	  	wire 					enable				,//output	                                            output		wire						q				
);assign q = (enable == 1'b1)? data:q;endmodule

根据上面 RTL 代码综合出的 RTL 视图，我们可以看到也产生了latch。

其他情况参考：Verilog中锁存器（Latch）原理、危害及避免(野火《FPGA Verilog开发实战指南——基于Xilinx Artix7》第十三章)

时序逻辑不产生Latch

只有不带时钟的 always 语句 if 或者 case 语句不完整才会产生 latch，带时钟的语句if 或者 case 语句不完整描述也不会产生 latch。

下面为缺少 else 分支的带时钟的 always 语句和不带时钟的 always 语句，通过实际产生的电路图可以看到第二个是有一个 latch 的，第一个仍然是普通的带有时钟的寄存器。

module nolatch
(//=========================< Port Name >==============================//inputinput		wire					clk 				,input 	  	wire 					data				,input 	  	wire 	[1:0]			enable				,//output	                                            output		reg						q				
);always @(posedge clk)	beginif(enable == 2'd0)beginq<=data;endelse if(enable == 2'd1)	beginq<=q;endend	
endmodule

根据上面 RTL 代码综合出的 RTL 视图，我们可以看到即使 if 语句没有 else、输出变量赋值给自己也不产生latch。

将上面代码中的always @(posedge clk) 换成 always @(*)，（块中使用阻塞或非阻塞赋值）此时产生latch。

Latch的特点及危害

（1）对毛刺敏感
使能信号有效时，输出状态可能随输入多次变化，产生空翻，对下一级电路很危险，不能异步复位，因此在上电后处于不确定的状态。并且其隐蔽性很强，不易查出。因此，在设计中，应尽量避免latch的使用。

（2）不能异步复位
由于其能够储存上次状态的原因，上电后Latch处于不定态。

（3）复杂的静态时序电路分析
首先，锁存器没有时钟信号参与信号传递，无法做STA；其次，综合工具会将 latch 优化掉，造成前后仿真结果不一致。

（4）占用更多资源
注意，“FPGA 中只有LUT和FF的资源，没有现成的Latch,所以如果要用Latch,需要更多的资源来搭出来。”这个观点不完全是正确的。
在Xilinx的FPGA中，6系列之前的器件中都有Latch; 6系列和7系列的FPGA中，一个Slice中有50%的storage element可以被配置为Latch或者Flip-Flop， 另外一半只能被配置为Flip-Flop。比如7系列FPGA中，一个Slice中有8个Flip-Flop，如果被配置成了Latch,则该Slice的另外4个Flip-Flop就不能用了FPGA结构与片上资源 1.4。这样确实造成了资源的浪费。但在在UltraScale的FPGA中，所有的storage element都可以被配置成Flip-Flop 和Latch。

（5）额外的延时
在ASIC设计中，锁存器也会带来额外的延时和DFT，并不利于提高系统的工作频率。

（6）锁存器的优点
如果锁存器和触发器两者都由与非门搭建的话，锁存器耗用的逻辑资源要比D触发器少（D触发器需要12个MOS管，锁存器只需6个MOS管），锁存器的集成度更高，所以在ASIC设计中会用到锁存器，且只有在CPU高速电路或者RAM这种面积很敏感的电路才使用锁存器。

参考：Verilog中锁存器（Latch）原理、危害及避免
综上，在组合逻辑中一定要避免输出信号处于不定的状态，一定要让输出无论在任何条件下都有一个已知的状态，就可以避免 Latch 的产生。