verilog基本语法-时序逻辑基础-记忆单元

概述:

组合逻辑虽然可以构造各种功能电路，但是他有一个缺点就是输入改变时，输出会立即发生改变。因此历史信息不能被保存下来。两个能够保存信息的存储单元被设计出来，用于保存历史信息。一个是锁存器，另外一个是触发器。锁存器是电平敏感的，抗噪能力差，保存信息的准确性受到挑战。通常不会使用锁存器来保存信息，但是在FPGA中，保留了大量的锁存器的功能，这是因为触发器本身是由锁存器构造成的，保留锁存器功能并不会消耗FPGA的额外资源。触发器是边沿敏感的，信息修改只发送在时钟触发的边沿，时钟边沿通常非常短暂，数据修改的时间也非常短，避免了数据被外部干扰。这是设计级联时序逻辑电路非常重要的条件。本节主要介绍verilog构造这些存储单元的使用方法。

内容：

1.锁存器

2.触发器

3.寄存器

4.同步复位电路

5.异步复位电路

6.边沿检测电路

1. 锁存器

代码

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module regtest(
	 input clk, // system clock 
	 input a, 
	 input b, 
	 output reg y, // output signal
	 output reg y1 // output signal
    );
	
always @ (*) begin
	/*if语句锁存器*/
	if (a == 1) 
		y = b ;
	/*case语句锁存器*/
	case ( a )
		0 : y1 = b ;
	endcase
end

endmodule

RTL结构图，锁存器基本结构D为输入，Q为输出,G为门控电路，不带o的G为高电平修改存储内容，带o的为低电平修改存储内容。此外存储器的clk时钟免疫。

技术原理图，锁存器在FPGA中命名为ld。

2. flip_flop触发器

代码

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module regtest(
	 input clk, // system clock 
	 input rst_n, 
	 input a, 
	 output reg y, // output signal
	 output reg y1 // output signal
    );
	
always @ (posedge clk ) begin
	y <= a ;
end

endmodule

RTL结构图，触发器在FPGA中村委fd,D为输入，Q为输出，C为时钟，上升边沿有效，带o的为下降沿有效。

技术原理图，图中显示，除了输入增加了ibuf，输出增加了obuf缓存外，另外增加了bufgp时钟缓存。

3. 寄存器

一个数据往往不仅仅只由1bit构成，而是由多个bit构成，列表8bit层位byte，16bit称为short，32bit称为int，64bit称为..,等数据类型。把多个存储元素捆绑到一起，FPGA称为reg寄存器。他相当于C语言中的变量，它的数据可以修改，但是存储数据的电路不能修改。FPGA的寄存器可以由latch锁存器构成，也可以由flip_flop触发器构成，综合工具根据verilog语法判断，构造的电路是锁存器还是寄存器。

代码示例：

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// 3. 寄存器
module regtest(
	 input clk, // system clock 
	 input rst_n,
	 input c,
	 input [7:0] ain,
	 input [7:0] bin,
	 output reg [7:0] aByte,
	 output reg [7:0] bByte	 
    );

// 构造触发器寄存器
always @ (posedge clk ) begin
	aByte <= ain ;
end

// 构造锁存器寄存器
always @ (* ) begin
	if(c) begin 
		bByte = bin ;
	end
end

endmodule

RTL结构图

技术原理图，由图可知，锁存器reg由一系列的latch电路构成，触发器reg由一系列的flip_flop构成。

3. 同步复位

代码

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module regtest(
	 input clk, // system clock 
	 input rst_n,
	 input  ain,
	 output reg areg
 
    );

// 构造触发器寄存器
always @ (posedge clk ) begin
	if(rst_n==0) begin
		areg <= 0 ;
	end else begin 
		areg <= ain ;
	end
end

endmodule

RTL结构图，同步复位使用的是fdr触发器。

技术原理图

4. 异步复位

代码

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module regtest(
	 input clk, // system clock 
	 input rst_n,
	 input  ain,
	 output reg areg
 
    );

always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
	if(rst_n==0) begin
		areg <= 0 ;
	end else begin 
		areg <= ain ;
	end
end

endmodule

RTL结构图，异步复位FPGA使用的是FDC触发器

技术原理图

5. 边沿检测电路

代码

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module regtest(
	input clk , // system clock 50Mhz on board
	input rst_n, // system rst, low active 
	input a , 

	output y1 , // output signal
	output y2 , // output signal
	output y3 // output signal
 
    );
reg a_dly1 ;

always @ (posedge clk or negedge rst_n ) begin
	if (rst_n == 1'b0)
		a_dly1 <= 1'b0 ;
	else 
		a_dly1 <= a ;
end

assign y1 = a & ( ~a_dly1 ) ; 
assign y2 = ~a & a_dly1 ; 
assign y3 = a ^ a_dly1 ;


endmodule

RTL结构图，使用一个同步复位触发器fdc构成寄存器，对输入数据进行一个时钟延时，延时后的结果与数据进行逻辑运算，分别得到上升沿，下降沿，以及双边沿标志位。

技术原理图，触发器使用fdc实现，组合逻辑电路使用Lut查找表实现。所有的时序逻辑都可以看成式组合逻辑与触发器的组合。

6 总结

FPGA的存储元素可以由锁存器或者触发器来实现
寄存器代表这存储元素，相当于c语言的变量，数据可以修改，存储数据的电路不能被修改。
FDGA提供同步复位触发器和异步触发器，并且保留锁存器，但是一般都不使用。
所有时序逻辑都可以由组合电路+触发器来实现，FPGA的神秘面纱被解开了。他的本质就是用LUT来设计特点组合逻辑功能电路，通过触发器+LUT来设计时序逻辑电路。