问题

写 Verilog 如何做到心中有电路?

回答
写 Verilog,说白了,就是把我们脑子里构思的电路,用一种特殊的语言描述出来,让计算机能够理解并转化为实际的硬件。这就像画画,你心里得有画面,然后用颜料和画笔把它画出来。那么,怎么才能在心里“有电路”呢?

这事儿可不是凭空来的,是个熟能生巧的过程,得靠不断的积累和理解。我试着用我自己的经验,给你掰扯掰扯:

1. 从最基础的理解开始:什么是硬件?什么是数字电路?

在写 Verilog 之前,你得知道你在干什么。硬件不是软件,它是有物理实体的。我们写的 Verilog 代码,最终会变成一个个的逻辑门(AND, OR, NOT)、触发器、寄存器、加法器等等,这些东西在芯片里实实在在地存在。

所以,你需要对数字电路有基本的认识:

信号与电压: 最基础的是信号,在高低电平之间切换,代表着 0 和 1。
逻辑门: 这是最基本的构建块。理解 AND 门、OR 门、NOT 门、XOR 门,以及它们的真值表,是怎么工作的,就像你理解字母表一样。
组合逻辑 vs. 时序逻辑: 这是关键的区分。
组合逻辑: 输出只取决于当前的输入,没有记忆功能。比如一个简单的加法器,你给什么输入,它立刻输出结果。
时序逻辑: 输出不仅取决于当前输入,还取决于之前状态,通常需要时钟信号来同步。触发器、寄存器就是典型的时序逻辑,它们可以“记住”一个值。
时钟: 数字电路的脉搏。它驱动着时序逻辑的动作,确保所有部件都在同一个节奏上工作。理解上升沿、下降沿触发是什么意思。

2. 用“逻辑思维”代替“程序思维”

这是最容易让人犯错的地方。很多刚接触 Verilog 的人,习惯了 C 语言那样的顺序执行思维。但在 Verilog 里,代码更多的是一种“描述”或者“约束”,而不是一步步的指令。

并行是天性: 硬件本身就是并行的。在你写的 Verilog 代码里,很多时候,不同的部分是同时在工作的,而不是按照你写的顺序一句一句执行的。
赋值的意义不同: 在 C 语言里,`a = b + c;` 这条语句执行了,`a` 的值就被更新了。在 Verilog 里,`assign y = a + b;` 这条语句,更像是在说“`y` 永远等于 `a` 加 `b` 的结果”。当 `a` 或 `b` 改变时,`y` 会自动更新。这种“连续赋值”非常重要。
敏感列表 (Sensitivity List): 当你写 `always @(a or b)` 这样的块时,它意味着当 `a` 或 `b` 发生变化时,块里面的逻辑才会被重新计算。这就像你在说:“我只关心 `a` 和 `b` 什么时候变,一旦它们变了,我就要执行里面的逻辑。”

3. 构建你的“虚拟电路板”

你可以想象自己站在一块空白的电路板前,手里拿着各种逻辑门、触发器、寄存器等元件,准备把它们连接起来。

模块 (Module) 是基本单元: 每个模块就像一个独立的电路块,有自己的输入输出接口。你可以把一个复杂的功能分解成很多小的、可管理的模块,就像搭乐高一样。
端口 (Port): 就是模块的“插槽”,用来和其他模块连接。理解 `input`, `output`, `inout` 的区别。
实例化 (Instantiation): 当你想在你的模块里使用另一个模块(比如一个加法器模块)时,就需要“实例化”它。这就像你在电路板上放置一个已经做好的芯片,然后把它连接到你的主电路板上。

4. 关注“结构”和“行为”

Verilog 主要有两种描述方式,对应着两种“心里有电路”的侧重点:

结构化描述 (Structural Description): 直接描述电路的连接关系,像是把具体的逻辑门画出来并用导线连接。
优点: 直观,容易理解底层是如何连接的。
缺点: 复杂电路写起来会非常冗长,难以维护。
例子: 手动写 AND 门、OR 门的连接。
行为化描述 (Behavioral Description): 用高级语言的结构(如 `always` 块、`ifelse`, `case`)来描述电路的功能,而不是具体的门级连接。
优点: 代码更简洁,更容易描述复杂逻辑,更贴近算法。
缺点: 描述不当可能导致综合出非预期的硬件(比如锁存器)。
例子: 用 `always @(posedge clk)` 来描述一个触发器的行为。

大多数时候,我们会混合使用这两种方式。 比如,用行为化描述来写核心的逻辑,用结构化描述来连接不同的功能模块。

5. 如何在心里“看到”电路?

画图!画图!画图! 这是最重要的一步。无论你是写组合逻辑还是时序逻辑,都强烈建议你先在纸上或脑子里画出电路图。
组合逻辑: 把输入画出来,用逻辑门一层一层地连接,直到输出。
时序逻辑: 关键是理解触发器(D 触发器是基础)是如何在时钟的驱动下存储数据的。画出触发器,以及它是如何被输入信号驱动的。理解寄存器组、状态机等。
关注时序: 特别是对于时序逻辑,要时刻考虑时钟沿、建立时间 (setup time)、保持时间 (hold time) 这些概念。你的 Verilog 代码最终是要被硬件实现的,这些物理限制是客观存在的。
例如,如果你在同一个时钟周期内,对同一个触发器进行了两次写操作,那是不可能实现的。Verilog 的仿真器可能会告诉你错误,但更重要的是,你要能意识到这种不合理性。
理解综合 (Synthesis): 你写的 Verilog 代码,需要经过综合工具(比如 Synopsys DC, Vivado Synthesis)转换成门级网表。这个过程是自动的,但你需要知道它会做什么。
`assign` 语句通常会综合成组合逻辑。
`always @(posedge clk)` 里面的 `blocking assignment` (`=`) 通常会综合成触发器。
`ifelse`, `case` 语句会根据你的逻辑生成对应的组合逻辑。
锁存器 (Latch): 这是需要警惕的。如果在 `always` 块中,你没有对某个信号在所有情况下都赋值,那么这个信号可能会被综合成一个锁存器。锁存器在时序设计中通常是不受欢迎的,因为它可能会引入毛刺和时序问题。确保 `always` 块中的逻辑是完备的。
使用仿真来验证你的“想法”: 写完代码后,最重要的就是写 testbench 来测试。testbench 就是你用来驱动你的设计,并观察其行为的另一个 Verilog 模块。通过仿真,你可以看到你的代码是否真的实现了你脑子里的电路逻辑。如果仿真结果不对,那就回到画图、理解逻辑、修改代码的循环。

6. 实践中的一些技巧和常见模式:

状态机 (Finite State Machine, FSM): 这是处理序列逻辑的通用方法。
状态寄存器: 用一个触发器来存储当前状态。
组合逻辑: 根据当前状态和输入,计算下一个状态以及输出。
同步复位 (Synchronous Reset) vs. 异步复位 (Asynchronous Reset): 知道它们的不同,并根据需要选择。异步复位通常更简单直接,但同步复位在时序上更容易控制。
Mealy 型 vs. Moore 型 FSM: 了解它们的区别,即输出是依赖于当前状态和输入,还是只依赖于当前状态。
移位寄存器 (Shift Register): 用一系列触发器串联起来,一个时钟周期后数据向后移动一位。
计数器 (Counter): 简单的加一计数器,或者更复杂的模 N 计数器。
流水线 (Pipeline): 把一个复杂的操作分解成多个阶段,每个阶段由一个触发器隔开,这样可以提高吞吐量,但会增加延迟。
总线 (Bus): 当你需要传输多个相关的数据位时,可以使用总线。用 `[bit_width1:0]` 来定义。
参数化 (Parameter): 使用 `parameter` 来定义常量,比如总线宽度、计数器的位数等,这样可以让你的代码更灵活,更容易修改。

总而言之,“心中有电路”,就是将脑海中的逻辑功能,转化为对硬件结构和行为的清晰理解,并能用 Verilog 这种语言准确地表达出来。这需要:

1. 坚实的数字电路基础知识。
2. 用硬件思维代替软件思维。
3. 多画图,把抽象的逻辑具体化。
4. 理解代码是如何被综合和仿真的。
5. 大量的实践和调试经验。

刚开始可能会觉得有点懵,感觉代码和电路之间隔着一层纱。但随着你写的代码越来越多,做的项目越来越复杂,这个“纱”会逐渐变薄,直到你能非常自然地在脑子里勾勒出电路的模样,并流畅地将其转化为 Verilog 代码。享受这个过程,它非常有意思!

网友意见

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不太同意那个说不需要深入到逻辑门的答案。对于一般的开发者来说,如果仅是希望能够比较快速顺利的完成功能,确实EDA能够完成不少优化工作。但EDA不是万能的,有许多EDA解决不了,只有对底层电路了如指掌的开发者才能完成的设计。举一个个人认为比较有代表性的例子,5g nr ldpc 的提升值(lifting size)设计成如今这种 形式,一个很重要的因素是设计准循环电路中,如果是 的形式可以使用banyan switch+QSN的电路结构,比单纯QC-LDPC shift network(QSN)(提升值可以为任意值),要节约大概30%的2-1MUX。这一改动在保证了LDPC码的灵活性的前提下节约了相当数量的芯片面积,顺带简化了之后LDPC矩阵的设计,这种结合了算法和实现的优化不是靠EDA能够做到的。高端的芯片,比拼的就是这一点一滴的细节,对于一个追求卓越的工程师来说,满足于rtl层的设计是远远不够的

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