04 避免 Latch 的产生

Latch 是什么

latch 即锁存器，是一种对电平敏感的存储单元电路，和寄存器一样都是基本存储单元，但是寄存器是边沿触发的存储器，锁存器是电平触发的存储器。

组合逻辑电路和时序逻辑电路

在数字电路中将逻辑电路分成两大类，一类叫组合逻辑电路，另一类叫做时序逻辑电路。

• 组合逻辑电路：组合逻辑电路是一种输出状态只与当前输入直接相关的电路，它的输出仅仅取决于当前的输入状态，而不受到过去的输入状态或时钟信号的影响。
• 时序逻辑电路：时序逻辑电路是一种输出状态不仅与当前输入相关，且还与过去状态相关的电路，它的输出不仅取决于当前的输入状态，还要考虑过去状态。
  注意
  在FPGA中通常将没有时钟的电路归为组合逻辑电路，有时钟的电路归为时序逻辑电路。

Latch 的危害

Latch具有以下危害：

1. Latch是电平触发的，因此有Latch的电路抗干扰能力差
2. Latch不能异步复位
3. Latch上电后处于不定态，会让静态时序分析变得十分复杂
4. 大部分FPGA器件没有 Latch这个东西，需要用使用寄存器来组成锁存器，会占用更多逻辑资源等问题

产生 Latch 的原因

在组合逻辑电路中如果变量的赋值操作没有覆盖到分支语句（如 if else 、case endcase、? : 等）的每一个分支就会产生Latch，常见的有以下情况：

1. if 语句没有 else
2. case 语句没有 defaul
3. 变量自己给自己赋值
   注意：
   只有在组合逻辑电路中才会产生Latch（这里的组合逻辑是以有无时钟来区分的）

if 语句没有 else

示例代码如下：

module latch_one (
    input wire in1,
    input wire in2,
    
    output reg[3:0] out
);

always @(*) begin
    if({in1, in2} == 2'd0)
        out = 4'b0001;
    else if({in1, in2} == 2'd1)
        out = 4'b0010;
    else if({in1, in2} == 2'd2)
        out = 4'b0100;
//    else
//         out = 4'b1000;
end

endmodule

上面代码中out变量的赋值没有覆盖到if语句的每一个分支（没有else部分），通过vivado进行语法分析后发现其原理图如下，可以看到生成了latch。

case 语句没有 defaul

示例代码如下：

module latch_tow (
    input wire in1,
    input wire in2,
    
    output reg[3:0] out
);

always @(*) begin
    case({in1, in2})
    2'd0: out = 4'd0001;
    2'd1: out = 4'd0010;
    2'd2: out = 4'd0100;
//    default:out = 4'd1000;
    endcase
end

endmodule

上面代码中out变量的赋值没有覆盖到case语句的每一个分支（没有default部分），通过vivado进行语法分析后发现其原理图如下，可以看到生成了latch。

变量自己给自己赋值

示例代码如下：

module latch_three(
    input in1,
    input in2,
   
    output wire[3:0] out
//    output reg[3:0] out
);

//在条件运算符中自己对自己赋值
assign out = (in1 != in2) ? in1 : out;

在case语句中自己对自己赋值
//always @(*) begin
//    case({in1, in2})
//    2'd0: out = 4'd0001;
//    2'd1: out = 4'd0010;
//    2'd2: out = 4'd0100;
    default:out = 4'd1000;
    default: out = out;
//    endcase
//end

在if语句中自己对自己赋值
//always @(*) begin
//    if({in1, in2} == 2'd0)
//        out = 4'b0001;
//    else if({in1, in2} == 2'd1)
//        out = 4'b0010;
//    else if({in1, in2} == 2'd2)
//        out = 4'b0100;
//    else
//        out = 4'b1000;
    else
        out = out;
//end

endmodule

面代码中out变量在条件运算符中存在自己对自己赋值的情况，通过vivado进行语法分析后发现其原理图如下，可以看到生成了latch。

注意：
在if语句中自己对自己赋值和在case语句中自己对自己赋值也会产生Latch