FPGA设计中锁存器产生、避免与消除

一、锁存器的产生

  锁存器的产生主要有以下两种情况：（1）组合逻辑中使用保持状态；（2）组合逻辑中的if-else语句或case语句未列出所有可能性；

1.1 组合逻辑中使用保持状态

assign data_out = valid ? data_in : data_out; //变量保持当前值

always @(*) beginif(valid)data_out = data_in;elsedata_out = data_out; //变量保持当前值
end

1.2 组合逻辑中的if-else语句或case语句未列出所有可能性

  对于组合逻辑中，如果使用if-else语句，未补全else语句，则默认在其他条件下，数据均保持为原来的状态，那么也会产生锁存器。

//if-else语句缺少else
always @(*) beginif(valid)data_out = data_in;
end

  而如果在组合逻辑中使用case语句，未列出case中条件所有的可能性，则相当于对于未列出的那些情况，数据均保持为原来的状态，也会产生锁存器。

//case语句未列出所有可能性
always @(*) begincase(sel)2'b00: data_out = 2'b00;2'b01: data_out = data_in;endcase
end

1.3 小结

  那么，总而言之，言而总之。对于锁存器，其产生的原因可以总结为一点：想要通过组合逻辑保持数据不变。对于组合逻辑的实现，我们可以认为它是用很多门电路搭建而成的，那么，门电路与寄存器不同，其不具有保持当前状态的功能。也就是说，构成当前组合逻辑的电路中任何一个信号发生改变，都会导致输出结果发生改变。如果要通过组合逻辑实现保持数据的不变，那就只能产生锁存器了（可以参考《数字电子技术基础》第五版的SR触发器）。

二、锁存器的避免

  我们知道了锁存器的产生原因，就可以对症下药，在编写Verilog代码时注意编码风格，即可避免锁存器的产生。

（1）在组合逻辑中使用if-else语句时补全else语句

always @(*) beginif(sel)data_out = data_in;elsedata_out = 2'b00;
end

（2）在组合逻辑中使用case语句时，设置默认状态default，并默认状态下的数据进行赋值

always @(*) begincase(sel)xxx: data_out <= 2'b01;xxx: data_out <= data_in;default: data_out = 2'b00;endcase
end

（3）在组合逻辑中，不可一个变量赋值给变量自身

//错误示例
always @(*) beginif(sel)data_out = data_in;elsedata_out = data_out; //变量赋值给变量自身
end//正确示例
always @(*) beginif(sel)data_out = data_in;elsedata_out = 2'b00; //需要赋值一个准确的数值或者其他变量
end

三、锁存器的消除

  在FPGA设计过程中，有可能出现一些情况，必须使用组合逻辑，保证其实时性，且需要保持数据不变，保证其他运算的正确性。那么又该如何处理？

3.1 情况一

  假如我们要实现如下面时序图所示功能，输出data_out在有效信号valid的上升沿处锁存输入data_in的值，那么要如何实现？

  最开始考虑的是采用时序逻辑进行实现，代码如下。

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif(!sys_rst_n)data_out <= 'd0;else if(valid)data_out <= data_in;elsedata_out <= data_out;
end

  那么，采用时序逻辑实现，会导致延迟一怕，无法在有效信号valid的上升沿锁存数据，如下图所示。

  于是考虑使用组合逻辑进行实现，代码如下。

assign data_out = valid ? data_in : data_out;

  但是组合逻辑要实现保持状态，必然会产生锁存器。综合后会再Messages界面会警告出现锁存器，同时在Schematic中也可以看到出现了锁存器，如下图所示。而在我们的设计中，我们是不希望出现锁存器的，因为其不利于时序分析。

  那么，也可以采用组合逻辑+时序逻辑的方式实现，通过多使用一部分寄存器资源，来实现在valid上升沿处进行数据采样，且不产生锁存器，代码如下。重新综合后，可见锁存器消失，同时可以对齐进行仿真，时序符合前面的要求。

reg     [3:0]    r_data_in;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)if(!sys_rst_n)r_data_in <= 'd0;elser_data_in <= data_in;assign data_out = valid ? data_in ? r_data_in;