孩子都能学会的FPGA：第四课——组合逻辑和时序逻辑

chdaj58

（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如果需要整个工程请加微信15092150280索要即可，不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

上课讲了阻塞赋值和非阻塞赋值，很多人可能会有疑问，为什么要分阻塞赋值和非阻塞赋值，合并成一种赋值不可以吗？这不是增加了开发的难度吗？说实话，还真的的不能合并，因为学习过数字电路的人都知道，数字电路的根据触发器有没有时钟可以分为组合电路和时序电路，那对应到FPGA开发上就是组合逻辑和时序逻辑，说白了FPGA的开发就是组合逻辑和时序逻辑的开发，大家去看看所有的FPGA工程，都是组合逻辑和时序逻辑的有机组合。下面详细的介绍这两种逻辑。

组合逻辑，反应在硬件电路上就是没有时钟的锁存和控制，组合电路任意时刻的输出仅仅取决于当前时刻的输入，与电路原本的状态无关，就是组合电路没有任何的记忆功能。可以把组合电路想象成《水浒传》中的李逵，无组织无纪律，李逵的行为（输出）只与当前的环境（输入）有关，根本不去管出发前宋江大哥的命令（以前时刻的输入），所以李逵才会惹出来那么多的麻烦来。组合逻辑的这种性质，注定了要用阻塞赋值来实现，因为阻塞赋值不消耗仿真时间，当前输入的变化马上反应到输出的变化，所以阻塞赋值就是为组合逻辑量身定制的！

时序逻辑，反应在硬件电路上就是有时钟可以进行锁存和控制，时序电路任意时刻的输出不仅取决于当前时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关，就是时序电路是有记忆功能的。可以把时序电路想象成《水浒传》中的108将，上梁山前大家各自为战，但是上了梁山就要统一行动听指挥，不能私自行动，就像李逵私自下山就要受到惩罚。时序逻辑的性质，决定要用非阻塞赋值来实现，因为非阻塞赋值是让所有的寄存器在特定的时刻统一变化，其它时刻大家保持当前的状态即可。

大家常用照镜子来比喻用阻塞赋值实现组合逻辑，只要你站在镜子前面，镜子里面马上就可以出现你的样貌，但是只要你离开镜子，镜子里面马上就没有了你的样貌。常用手机拍照来比喻用非阻塞赋值实现时序逻辑，比如自拍，只有按了拍照按钮，你的样貌才会被保存成图片，当前图片可以保存到下一次按动拍照按钮为止，图片就会更新为新的一副图片，在这期间，无论你的表情和动作如何变化，图片上的内容都不会变化。

下面我们用实例来说明，还是用第二课的流水灯为例说明，当时我们把one_second_done信号定义成了wire，然后用assign进行赋值（为了快速仿真SYS_CLK设置为10），这就是阻塞赋值，实现的就是组合逻辑。

看看仿真结果，在one_second_cnt由8变化成9的时刻one_second_done拉高，在one_second_cnt由9变化成0的时刻one_second_done拉低，就是one_second_cnt的变化马上会引起one_second_done的变化。

阻塞赋值的信号一定要定义成wire类型吗？其实不是的，也可以定义成reg类型，不过实现组合逻辑的方式要改变一下，如下所示。@(*)的意思是模块中所有信号的变化都是同时引起one_second_done的变化。

仿真结果和用assign的仿真结果是一样的，如下所示。

那one_second_done可不可以用时序逻辑来实现，在本例中是可以的，修改FPGA程序如下：

然后再看看仿真解决，比较一下和组合逻辑实现的有什么不同。如下所示，结果很明显，计数器one_second_cnt多计数了一次，计数器one_second_cnt是10的时候one_second_done才拉高。具体分析一下，时序逻辑的计数器one_second_cnt由8变成9是在clk上升沿再往后Δt的时间，就是在clk上升沿的时候计数器的值还是8，所以此时one_second_done不会拉高。计数器one_second_cnt由9变成10是在clk上升沿再往后Δt的时间，就是在clk上升沿的时候计数器的值还是9，所以此时one_second_done才会被拉高！one_second_done拉低也是相同的分析思路。

从功能上分析，上面的FPGA程序其实是错误的，本来预期的是每计数10次one_second_done拉高一次，现在变成了每计数11次one_second_done拉高一次，所以在时序逻辑中，要把修改计数的值，才能保证功能的正确，如下所示。

在看看仿真结果，功能就是正确的了。

大家可能会说，你口口声声说要大家尽快入门FPGA，但是连续几课只讲计数器和流水灯，要是别人早就讲到各个IP的设计了。我想说的是：开始慢一点，是为了后面的快一些！下课让大家看看仅仅使用计数器就可以实现UART的协议！