數(shù)字門級電路可分為兩大類：組合邏輯和時序邏輯。鎖存器是組合邏輯和時序邏輯的一個交叉點，在后面會作為單獨的主題處理。

組合邏輯描述了門級電路，其中邏輯塊的輸出直接反映到該塊的輸入值的組合，例如，雙輸入AND門的輸出是兩個輸入的邏輯與。如果輸入值發(fā)生變化，輸出值將反映這一變化，組合邏輯的RTL模型需要反映這種門級行為，這意味著邏輯塊的輸出必須始終反映該邏輯塊當(dāng)前輸入值的組合。

SystemVerilog有三種在可綜合RTL級別表示組合邏輯的方法：連續(xù)賦值語句、always程序塊和函數(shù)。接下來幾篇文章將探討每種編碼風(fēng)格，并推薦最佳實踐編碼風(fēng)格。

時序邏輯的時鐘到Q傳播和建立/保持時間

在ASIC和FPGA的實現(xiàn)層面，時鐘時序邏輯具有不同于組合邏輯的特點。其中一個特點是，從時鐘輸入觸發(fā)到觸發(fā)器輸出變化的傳播延遲。這通常被稱為時鐘到Q的延遲。第二個特性是建立和保持時間。建立時間是在時鐘觸發(fā)前數(shù)據(jù)輸入必須穩(wěn)定的時間段。

保持時間是時鐘觸發(fā)后數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定的時間段。如果數(shù)據(jù)在建立和保持時間內(nèi)發(fā)生變化，作為新的觸發(fā)器狀態(tài)存儲的值將是不確定的。在這些條件下，一個觸發(fā)器的狀態(tài)也有可能在數(shù)值之間振蕩一段時間，然后再穩(wěn)定到一個穩(wěn)定的數(shù)值。這種不穩(wěn)定的時期被稱為偏移性（metastability）。

RTL模型應(yīng)該是零延遲模型--這是最佳協(xié)同結(jié)果質(zhì)量（QoR）的要求--這意味著RTL模型不存在傳播延遲。觸發(fā)器的輸出在仿真時間的同一時刻發(fā)生變化，沒有門級時鐘到Q的傳播延遲。作為零延遲模型，抽象的RTL觸發(fā)器也沒有建立和保持時間，也不會發(fā)生變異。然而，時鐘到Q的傳播行為必須用抽象的RTL模型來表示，而且RTL模型需要反映適當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)，以避免在ASIC或FPGA中實現(xiàn)后出現(xiàn)偏移性的情況。

時序邏輯的時鐘到Q的傳播延遲。在ASIC和FPGA的實現(xiàn)層面上，時鐘序列器件有一個時鐘到Q的傳播延遲。觸發(fā)器的狀態(tài)或內(nèi)部存儲在時鐘的一個邊沿上被更新。過渡到一個新的狀態(tài)并不是瞬間發(fā)生的。內(nèi)部狀態(tài)的改變需要少量的時間。在這個過渡時間內(nèi)，翻轉(zhuǎn)器的前一個狀態(tài)可以在翻轉(zhuǎn)器的輸出上使用。當(dāng)多個觸發(fā)器串聯(lián)在一起時，這種通過每個觸發(fā)器的時鐘到Q的傳播延遲在一系列觸發(fā)器中產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。移位寄存器和計數(shù)器就利用了這種級聯(lián)效應(yīng)。

圖8-1中的電路表示一個4位的約翰遜(Johnson)計數(shù)器，它是一個移位寄存器，最后一個觸發(fā)器的輸出被反相并反饋到第一個觸發(fā)器的輸入。

圖8-1：4位約翰遜(Johnson)計數(shù)器示意圖

復(fù)位后，這個4位約翰遜(Johnson)計數(shù)器的輸出示例是:

cnt[0:3]-0000
cnt[0:3]-1000
cnt[0:3]-1100
cnt[0:3]-1110
cnt[0:3]-1111
cnt[0:3]-0111
cnt[0:3]-0011
cnt[0:3]-0001
cnt[0:3]-0000

從一個觸發(fā)器到下一個觸發(fā)器的級聯(lián)效應(yīng)在這個輸出中很明顯。上一個觸發(fā)器DFF4的O輸出被反轉(zhuǎn)，在第一個觸發(fā)器的D輸入端oFF1上變成1。在第一個時鐘周期，這個1被存儲到DFF1中，而DFFl的舊狀態(tài)，一個0，被級聯(lián)到DFF2。在第二個時鐘周期，DFFl輸出的1被級聯(lián)到DFF2中。

在第三個時鐘周期，DFF2的1級聯(lián)到DFF3，而在第四個時鐘周期，DFF3的1級聯(lián)到DFF4。在第四個時鐘周期后，DFF4的輸出變?yōu)?，DFFl的D輸入變?yōu)?。下一個時鐘周期，0加載到DF Fl中，并且0在隨后的每個時鐘周期中級聯(lián)通過四個觸發(fā)器。

約翰遜(Johnson)計數(shù)器的設(shè)計取決于每個觸發(fā)器的時鐘到Q的傳播延遲，它允許系列中每個觸發(fā)器的前一個狀態(tài)成為系列觸發(fā)器中每個后續(xù)階段的穩(wěn)定D輸入。即使RTL代碼用零延遲建模，RTL模型也要保持這種時鐘到Q的傳播延遲行為，這一點至關(guān)重要。觸發(fā)器行為的這一重要特征是由非阻塞賦值符號（<=）表示的。

審核編輯：劉清