FPGA的一些个人经验体会

声明：作为初学FPGA，这篇文章仅属于学习中的个人理解笔记，应该有一些错误，仅做参考，大神勿喷。

以下是我阅读资料和实践中总结出来的。

注：首先区别一下C与Verilog HDL两种语言的区别。C语言是最后变成指令集给CPU进行处理，而Verilog是综合成电路，设计时要求和C不一样，若是设计不合理电路之间传输太长，那么久无法跑较高的时钟频率，时序不满足。

1、一一法则：初学者最好一个always中产生一个信号，一个信号只在一个always中存在。(只允许一个输出，但是可以有多个输入)
作用：这样书写可以预防同时思考多种信号而出错；后期方便调试修改。

//错误示例
always@*
	...
	dout <= 1'b1;
	...
always@*
	...
	dout <= 1'b0;
	...

2、两种条件：条件语句一般只用 if…else 和 case。
3、三种电路：组合逻辑电路（用“=”）；同步复位时序电路（复位信号取决与时钟的上升沿到来时才触发，不独立。占用FPGA的内部资源较多，但是“冒险”较少。）；异步复位时序电路（复位信号和时钟信号可触发于任意时刻，两者独立。但是容易产生“冒险”。）
tip:有posedge与negedge的为沿触发则一定为D触发器一定为时序逻辑，在时序电路中必须有复位信号。

//异步复位
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
					if(!rst_n)
						b <= 1'b0;
					else 
						b <= a;
					end

异步 RTL View：

//组合逻辑
always@(*)begin
	语句
end

//同步复位
always@(posedge clk)begin
	if(!rst_n)
		b <= 1'b0;
	else 
		b <= a;
	end

同步 RTL Vier：

tip：由于同步异步复位均有缺点，这里可以采用异步复位，同步释放。详情见特权同学的《深入浅出玩转FPGA》P60。
另外在设计代码的时候，如果复位时信号的值为0，那么电路是D触发器的清零逻辑；如果复位信号的值不为0，则电路是一个以复位信号为条件的多路器。

4、每个always,assgin,module模块之间都是并行的，但是在always中的begin…end是顺序执行的(if语句也是)。

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(condition1)
		语句1;
	else if(condition2)
		语句2;
	else if(condition3)
		语句3;
end

如上述代码的例子，
当条件1成立时直接执行语句；若条件2成立（包含条件3的情况）则不执行条件3了；若条件1,2,3均不成立，那么保持数据。这里省略了else，因为在时序语句中的if是可以没有else的，在没有else的情况下判定为保持数据，若是组合逻辑中，没有else则会产生锁存器！

5、reg型与wire型：
设计代码：由模块产生，且是用always产生的信号，用reg型（“<=”）
测试代码：由initial产生的信号，用reg型
其他都用wire型，wire型为线性信号；reg一般为寄存器信号，也可以不产生寄存器。
assgin一般用于赋值，assgin的左侧必须为wire型。
不管在组合逻辑还是时序逻辑中，只要在等号的左端均应用reg型。
（一般来说输入是wire，输出是reg，因为输出需要给一个值。但assgin的左侧必须为wire型）
tip:一个reg型变量对应一个触发器。如：always@(posedge clk)begin a <= cnt; b <= a; c <= b; end
则代表a b c 各有一个触发器。
tip:一个wire型变量对应一个线型值

6、逻辑运算符：+、-、×、/、%中尽量使用 +、-、× 少用/、%，后者占用资源较多。
条件运算符：&&与、||或、！非 一般用于条件判断，且一般两边都是1bit信号（多bit也可以，但不UI建）
位运算符：~按位非、|按位或、&按位与、^按位异或，一般用于赋值。
移位运算符：<<左移、>>右移。一般用于乘除运算，右移1位==除以2，右移3位=除以8，左移2位=乘以4（在FPGA中，若以2的指数形式来进行乘除，可以使用移位运算符节约资源）

7、模块例化并调节参数

mul_module #(.A(3),.B(4))mul_module1(
	例化的语句
);
//把mul_module模块中parameterA改为3 B改为4，例化在mul_module1中

8、时序逻辑是设计的核心，寄存器是时序逻辑的基础。

9、在设计中，面积与速度不可兼得，如何取舍看设计的要求。
如a-y为关键路径如下：y=((a&b&c)|d)&~e 经过等式变换 y=(a|d)&((b&c)|d)&~e
左边的式子a传了3级到达了y资源占用率相比右式低很多，也就是面积小，速度慢。
右边的式子a传了2级到达了y资源占用率相比左式高很多，也就是面积大，速度快。

10、一个信号加_n代表低电平有效。rst一般表示复位信号，则rst_n则是低电平有效的复位信号
低电平复位有效 if(!rst_n) 等价于 if(rst ==0) ； 高电平复位有效 if（rst）等价于if（rst ==1）
tip:常用于第一种写法，简洁
11、always@（）begin…end 在always里的begin和end可以不写，但其他地方语句超过两句就必须写。
12、在testbench里什么时候reg什么时候wire——例化语句中，输入在testbench中为reg型（取初值时），输出为wire型
13、亚稳态——在寄存器中，输入传到输出的时间。所谓竞争冒险，即多个触发器中，在传入到传出过程中可能产生的值造成的影响，而这个值并不是触发器最终的状态，有时会造成特别严重的后果。
预防亚稳态的方法：
<1>对于控制信号，可以同步信号，即打2拍或者3拍（D触发器）。
<2>对于数据流，用FIFO。
<3>对于少量，发送可控的数据流，增加指示信号。

14、项目的一些理解：一个九位位宽的单个ROM存12位数据，则有2的9次方个数据（512），每个数据的位数为2的12次方（2048）；一个f为5k的信号，采样512个点，问采样频率。则信号1S跳5000个周期，每个周期采样512个点，那么采样频率为512*5000=25.6MHz。
15、modelsim中的超过2个仿真文件的仿真设置问题：
当仿真的top文件要调用另外一个仿真文件时，在modelsim中需要把两个仿真文件同时放如testbench设置里。需要注意只要是仿真文件必须要有时间刻度：`timescale。

16、在分析信号的时候，需要考虑这个信号是在哪个时钟域，在不同的时钟域产生的误差，同步等均不相同。

17、8421BCD码
[1]8421BCD码（不指明BCD码就默认8421）：是一个四位的二进制数，从0000（0’d）到1001（9’d）。eg：1001_0110_0100（964’d）
[2]BCD码的意义：BCD应用在数码管上，若把158拆分为1、5、8 需要做除法运算 158/100=1 158%100=58 58/10=5 58%10=8。但是除法运算需要占用计算时间，转换为BCD码可以大幅度减少运算时间。
[3]计算规则：4位BCD码大于1001b（4’d9）则加0110b(4’d6)进行修正。如0101b+1000b=1101b （大于1001b）则加0110b =1101b+0110b=10011b 补码后：0001_0011为13。

18、Verilog代码书写风格
注：在《Verilog编程艺术》书上根据我的需要，写下的一些对我个人有用的笔记

<1>取名字一般用下划线或者大写。eg：post_payment PostPayment
<2>名字的约定习俗：_clk代表时钟，_n代表低电平有效，_r寄存器输出，_a异步信号，clk—clock，rst—reset，addr—address，dat—data，rdy—ready，cnt—count，req—request，ack—acknowledge，dout—dataout
<3>子模块的名字应该使用顶层模块的名字作为前缀。eg：hex,hex_reg,hex_divider
<4>在书写代码时，按功能分组，主控在前。
eg: A、异步复位
B、时钟信号
C、使能信号
D、控制信号
E、地址信号
F、响应信号
G、数据信号
<5>module名字后面的“( ”不加空格要另起一行，这样后续的input，output以此对齐。
<6>每一个语句独立成行
<7>always,for,while语句，begin在它们的下一行；initial,if,else if,else,begin和它们同行且begin后换行；end单独成行
<8>对于运算符号如=，+，-，*，/，%，<<、&，&&，or等，在符号两边各加一个空格
<9>对于逗号，分号，在它们的后面加一个空格

19、组合逻辑和时序逻辑都不能作为时钟信号和复位信号，因为组合逻辑和时序逻辑都属于中间信号，没有经过特别优化，不稳定，容易产生亚稳态和毛刺从而影响结果。

20、组合逻辑常见错误，case 中缺少default ，if中缺少else。这样会产生一个锁存器，对FPGA及其不利。
锁存器的组成特性：是有门逻辑资源搭建起来的电平敏感的存储器，电平触发，对时钟边沿不敏感（时序逻辑对边沿敏感）；相比寄存器，所需要的门逻辑资源要少，常用于ASIC设计中。
设计缺点：<1>属于非同步设计，不易于信号控制；
<2>没有边沿触发，输出的信号会有毛刺；（组合逻辑会产生毛刺）
<3>使时序分析很困难。（对时序不敏感，电平触发）

21、用于不定时计数的（即每轮计数多少个不定），用自减计数器（相比自增代码简洁）。如pwm波形占空比的调节。

22、计数器的复用：在一个程序中有多个计数器且过程相同时，可以以最小的计数器为单位合并计算器，以这个计数器再计数，可以节约FPGA内部资源。

//eg：计数1s，2s，3s，作为其他程序启动的标志。
//建立计数1s的计数器
	always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
		if(!rst_n)begin
			count <= 26'b0;
		end
		else if(count==TIME_1S-1)begin
			count <= 32'b0;
		end
		else begin
			count <= count + 1'b1;
		end
	end
	//对上述1s的计数器进行再计数
	always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
		if(!rst_n)begin
			count_pulse <= 0;
		end
		else if(count==TIME_1S-1)begin
			if(count_pulse==2)begin
				count_pulse <= 2'b0;
			end
			else begin
				count_pulse <= count_pulse + 1'b1;
			end
		end
		else begin
			count_pulse <= count_pulse;
		end
	//2s条件count_pulse==1&&count==TIME_1S-1；3s条件count_pulse==2&&count==TIME_1S-1
	//本来计数1s、2s、3s如用三个计数器来计数，需要约90bit数据。而此时巧妙的运用了把1s的计数器进行再计数，这样只用到了26bit+3bit=29bit数据，大大节省了内部资源！

23、在进行移位操作时的两种写法：

reg [7:0] led;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led <= 8'b0000_0001;
	else
//法一：直接移位
 		led <= led <<1;
 end
 //法二：拼接符移位
 //led <=  {led[6:0],led[7]};		

24、三态门

//三态门
inout		data;
data			= wr_en?wr_data:1'bz;
rd_data 	= data;

FPGA会自动的将此代码综合成三态门；三态门只用于管脚中，FPGA内部是不允许有X态和Z态的。

25、不用除法求余。
总所周知的，除法在FPGA中资源占用率太高，所以尽量避免除法的使用以节省资源。若对一个数123，求他除N的余数，可用下列思想。123-N是否大于N，若大于N，则判断再减N即123-N-N是否大于N，若小于N则为余数，大于N继续减N直到小于。

26、FIFO一般用于：1.异步时钟域处理 2.缓存数据。打一拍来处理一般只用于1bit的数据，延迟的时间要长不能一周期就变一次，这样会拍出错误的数据。

27、补码操作：在FPGA中有些需要用到正负，即符号位。当为负的时候，即最高位为1时，需要进行补码操作。如4bit数据 +2表示为4’b0010 +1表示为4’b0001 -2表示为4’b1010

(+2) + (-2) = 0
检测到负数时，对负数进行补码操作（最高位符号位不变，其余全取反，并+1‘b1’），1010变为
1101+1=1110。这个时候进行加法操作0010+1110=0000 = 0，检测到最高位为正，则不进行补码操作。
(+1) + (-2) = -1
检测到负数时，对负数进行补码操作，1010变为1101+1=1110。这时进行加法操作0001+1110=1111，
检测到最高位为负，则进行补码操作，1111变为1001=-1

28、同一个工程（程序一样）下，编译出来的.sof文件可能不同。
原因有如下：
软件问题——由于没有固定硬件器件的约束，所以在编译综合的时候，会随机选择最优的路径（每次可能不一样）。对于Intel quartus来说，一般17.0以上的版本重新编译不会变，13.1版本一直变。
系统问题——不同的操作系统，如windows家庭版，旗舰版等编译出来的.sof文件可能不同。
代码问题——可能出现代码改变，如不小心按下了空格，或改了某个信号忘再编译。
不同的.sof文件的影响：
对于大型工程来说，FPGA对时序的要求特别高，若.sof不一样，很可能导致某次或多次（也可能永远）硬件的时序不满足，那么板子将无法工作。

29、在给代码赋值时，只有十进制的可以为所欲为
给代码赋值的时候，除了十进制('d)都要把所有位数写全，不然可能出现未知的错误。

例如赋值为1，常见的几种进制表示
assign	dout = 8'b1;//改为8'b0000_0001;
assign	dout = 8'h1;//改为8'h01;
assign	dout = 8'd1;//为所欲为

30、数据处理——有小数运算中的精度提升

//令x=12.3456789，若要进行下列的计算
assgin y = (2^32*x)/50_000_000;
//直接运算，那么y=1060.4857424483，在fpga中小数后的数直接丢弃。
//若我们需要用这个数操作，那么小数点后的数很可能会影响较大的精度。怎么保留精度呢？？？
//采取乘和除的形式
assgin y = (2^32*x*1000)/50_000_000/1000;
//这样精度可以扩大三位数，由于除法占用逻辑资源高，考虑使用向右移位的方式做除法，但是需要2次方为基本。则与1000最靠近的是2^10=1024
assgin y = (((2^32*x)<<10)/50_000_000)>>10;

31、数据处理——按键数字增加思路
若我们需要给一个按键，分别按下1，2 实现数字12的显示。

out <= 0;	//初始化
out <= (out<<1) + (out<<3) + key_value;//key_value为按键值

当按下第一个键1，显示数字1。按下第二个键2时，显示12。则相当于 1*10+2。在移位操作中，移1位代表2^1，移3位代表2 ^3，2 ^1+2 ^3 = 10，就相当于把第一个数字提高了十倍！

32、计数器中嵌套计数器
实现计数计到某个数的时，暂停计数开始计另一个计数器，计完再继续前面的计数器。

always @(posedge clk)
if(cnt1==10)
	cnt1 <= 4'd0;
else if(!en_cnt2)
	cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
assign en_cnt2 = (cnt1==5)&&(data_num>1);
alwasy @(posedge clk)
if(en_tx)
	data_num <= length;
else if(en_cnt2)
	data_num  <= data_num  - 1'b1;
//代码实现 自增10计数器1，在计到第5个数时，暂停计数器，开始自减length计数器2，完毕后继续执行计数器1。

代码使用场景，在MAC层发包中自增计数器1是MAC层的协议，前导码，dmac，smac，type_length，（自减计数器2）数据段，CRC校验。数据段来自上层协议（如ARP，UDP等）。

33、FPGA中的“数组”
其实在FPGA中没有真正意义上的数组的，只是用数组的形式定义了多个寄存器罢了。
下面进入正题给代码

reg[11:0]  memory[255:0];//[11:0]12位的数据，[4095:0]代表有4096个12位数据
memeoyr[30] //指的是第31个memory
memory[30][11:8]//指的是第31个memory的高4位

tip:一些特例写法：

1、[39-:8]等价于[39:32]
2、assign z = {y,5{x}};等价于assign z = {y,x,x,x,x,x};

附几个在网上搜的对初学者有用的学习链接：
如何学习FPGA
学习FPGA需要留意，实用性比较好
简谈异步电路中的时钟同步处理方法
如何利用FPGA进行时序分析设计