0.3 Verilog 代码规范

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小牛编辑

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2023-03-14

不经意间看到几年前自己写的 FGPA 设计，代码风格勉强说的过去，但是逻辑设计方面的安全隐患比比皆是。许多初学者编写 Verilog 代码，基本都是按照 C 语言的思维和风格去设计，造成了很多不规范的共性问题。

本节主要总结一些不规范且危险的 Verilog 设计。主要针对可综合的数字设计，testbench 是仿真程序，一般情况下要求不是很严格。

代码规范要讲述的内容与编码风格是不一样的。编码风格只是建议，设计者可以不按照本教程编码风格的建议，随心所欲的畅写代码。只要逻辑正确，电路安全，哪怕写成柳絮满天飞的风格，编译器能正常编译正常仿真即可。设计者可以高傲的说，写自己的代码，让别人猜去吧！

代码规范是在一定程度上必须要遵从的规则，否则可能会对数字电路逻辑的正确性造成一定影响。除非针对某种特殊的设计，或个人轻车熟路、把握十足，可以稍微的越界 Verilog 代码规范，否则在设计中还是建议多注意这些规范。尤其初学者特别容易触犯此类问题。

关于赋初值

变量声明时不要对变量进行赋初值操作。如果变量声明时设置初始值，仿真时变量会有期望的初值，但综合后电路的初始值是不确定的。如果信号初值会影响逻辑功能，则仿真过程可能会因验证不充分而错过查找出逻辑错误的机会。例如下面描述是不建议的：

    reg [31:0]      wdata = 32'b0 ;

赋初值操作应该在复位状态下完成，也建议寄存器变量都使用复位端，以保证系统上电或紊乱时，可以通过复位操作让系统恢复初始状态。

建议设计时，时钟采用正边沿逻辑，复位采用负边沿逻辑。复位设计详见《5.1 复位简介》。

复位时语句块中所有的信号都应该赋予初值，不要漏掉相关信号。

always @ ( posedge clk or negedge rstn ) begin
if ( !rstn ) begin
cnt <= 'b0 ; //漏掉 cout 赋初值，很危险
end
else if (cnt == 10 ) begin
cnt <= 4'b0 ;
cout <= 1'b1 ;
end
else begin
cnt <= cnt + 1'b1 ;
cout <= 1'b0 ;
end
end

关于 always 语句

不到万不得已不要在 2 个 always 块中分别使用同一时钟的上升沿和下降沿逻辑，否则会引入相对复杂的时钟质量和时序约束的问题。

//建议尽量避免 2 个 always 块 2 个时钟边沿的逻辑
always @ ( posedge clk ) begin
a <= b ;
end
always @ ( negedge clk ) begin
c <= d ;
end

禁止在一个 always 块中同时将时钟的双边沿作为触发条件，编译、仿真可能会按照设计人员的思想进行，但此类电路往往不可综合，或综合后电路功能不会符合预期。

//禁止一个 always 块中使用双边沿逻辑
always @ ( posedge clk or negedge clk ) begin
a <= b ;
end

禁止在 2 个 always 块中为同一个变量赋值，这是很多初学者容易犯的错误。

//此设计是错误的
always @ ( posedge clk ) begin
a <= b ;
end
always @ ( negedge clk ) begin
a <= d ;
end

一个 always 块中不要存在多个并行或不相关的条件语句，使用多个 always 分别描述。

当一个 always 语句中存在多个并行或不相关的条件语句时，仿真的执行结果或综合的实际电路中，不相关的条件语句都是并行执行的。但是仿真过程可能是顺序执行的，如果有延迟信息可能会导致不可以预知的错误结果。且该写法可读性较差，功能结构划分不明显。

//不推荐
always @ ( posedge clk ) begin
if (a == b )
data_t1 <= data1 ;

if (a == b && c == d )
data_t2 <= data2 ;
else
data_t2 <= 'b0 ;
end

//推荐分开写
always @ ( posedge clk ) begin
if (a == b )
data_t1 <= data1 ;
end
always @ ( posedge clk ) begin
if (a == b && c == d )
data_t2 <= data2 ;
else
data_t2 <= 'b0
end

关于时钟与异步

设计中尽量使用同步设计。

必须要使用异步逻辑时，一定要对不同时钟域之间的信号进行同步处理，不能直接使用相关信号，否则会产生亚稳态电路。同步处理具体实现请参考《4.1 同步与异步》及其后面相关章节。

尽量不要直接将时钟信号与普通变量信号做逻辑操作，或对时钟信号进行电平信号的检测判断。例如下列描述都是不建议的。

assign clk_gate = clk & clken ;
assign dout = (clk == 1'b1 ) ? din : 0 ;
always @ ( posedge clk ) begin
if (clk = 1'b1 )
data_t1 <= data1 ;
end

不同条件下对时钟进行选择时，不能直接使用选择逻辑，否则会出现毛刺现象。详见《5.4 时钟切换》。

关于综合

一般情况下信号变量不要直接使用乘法 *、除法 /、求余数 % 等操作。这些操作符被综合后，结构和时序往往不易控制。应该使用相关优化后的 ip 模块或工艺库中的集成模块。但是 parameter 类型的常量就可以使用此类操作符，因为在编译之初编译器就会计算出常量运算的结果，不会消耗多余的硬件资源。

组合逻辑的条件语句中条件补充完整，组合逻辑的 always 语句中敏感信号要罗列完全，以避免不期望的 Latch 产生。详见《Verilog 教程》章节《6.5 Verilog 避免 Latch》。

逻辑设计时要考虑代码能不能综合成实际电路，会综合成什么样的电路。详见《9.2 可综合性设计》。

关于例化

例化时，连接输入端的信号可以是 reg 型或 wire 型变量，连接输出端的信号一定是 wire 型变量。但是端口信号声明时，输入信号必须是 wire 型变量，输出信号可以是 reg 型或 wire 型变量。

多个模块例化时，模块名字在前，例化名字在后，且例化名字不能相同。