RTL電路的設計原則和方法

既然RTL是寄存器傳輸級電路，那么電路設計就一定是以寄存器的特性為基礎進行設計。

一般來說，RTL電路設計我們建議3個主要的原則：

1. 時序邏輯與組合邏輯分開
2. 數據路徑與控制路徑分開
3. 先畫電路，后寫代碼

以上3個原則，我們一個一個來看。

時序邏輯與組合邏輯分開

這里涉及到數字電路基礎知識，不懂的小朋友還是先把數字電路設計原理學一下。我們一般把寄存器（DFF）以及鎖存器（LATCH）看做是時序邏輯，也就是數據輸出與時鐘變化保持有一定的關系。具體的原理，可以參考之前關于寄存器工作原理分析的部分。而組合邏輯，則輸出與時鐘沒有關系，僅僅因為輸入信號的變化，會立即產生變化，如選擇器、與門、或門、非門等。

如下圖所示，就是一組完整電路的功能框圖模型：

其工作原理為：

(a) current state bits=↑(next state bits);

(b) next state bits=f1(inputs,current state bits);

(c) outputs=f2(inputs,current state bits);

這里面f1和f2就是分別算出next state bits以及outputs的組合電路功能?？梢悦鞔_的電路，在這里就是時序邏輯電路，或者說是寄存器。所以我們在描述電路的時候，先描述寄存器就好：

接下來我們看，組合邏輯電路怎么設計。

數據路徑與控制路徑分開

假設我們想描述以下電路：

那么時序邏輯的輸入，也就是D端怎么獲得？在正常的思考情況下，我們一般這樣考慮問題，是有邏輯的：

如果滿足XX條件（這里假設S0為0）那么D端來自于InA，否則如果滿足XX條件（這里假設S1為1）則賦值為1'b0，否則如果滿足XX條件（這里假設S2為1）則來源于InC跟InB的與邏輯，否則就保持不變。

這種數據來源的邏輯思考，利用選擇器實現成電路，就是數據路徑的設計思路。而利用VerilogHDL來描述電路，就只需要用assign以及?，:的組合，實現選擇器的功能即可。而Synthesis綜合工具，會根據最終的電路進行優化，實現最優的組合邏輯結構。對設計者來說，首先能做用選擇器來設計數據路徑就可以了。

而S0、S1跟S2是怎么來的？設計S0、S1跟S2就相當于這個電路模型組合邏輯的控制邏輯設計。

當然S0、S1、S2又可以看做一種數據路徑進一步擴展設計，他們可能是組合邏輯直接賦值，也可能是時序邏輯寄存器的輸出。

先畫電路圖，后寫代碼

由于前些年軟件與互聯網產業的蓬勃發展，越來越多的人都把軟件視為生產力第一工具，卻忽略了工程師的主觀能動性。越來越多的年輕人投入到集成電路設計領域往往只是學習了VerilgHDL語言，就開始編寫電路。殊不知這樣的電路，往往會面臨大量不可預知的bug，以及調試人員茫然的眼神。

也許有同學說了，現在有很多代碼風格（coding style），寫電路的時候按照標準的代碼風格寫就好。也許作為一個接近20年電路設計經驗的老工程師來說，心中的電路已經非常清晰，按照coding style編寫的電路還是比較好的，但仍然會因為電路逐步復雜，有些部分無法把握，會遇到疏漏。

在這里我還是呼吁各位同學，先把電路設計功底做好，再考慮如何用描述語言描述出來。至少，這個才叫做電路吧。這樣做的好處主要有以下3點：

邏輯清晰，便于表達及傳遞思路

電路直觀，便于Debug以及修改

信號定義明確，Coding只需照抄

RTL電路設計的方法

其實根據RTL電路設計的原則，我們認為一個已知接口信號以及功能定義的模塊，可以從輸出開始往輸入推著寫。

比如說，我們要設計一個4bit計數器，其功能要求如下：

• 從0到15循環計數
• 加電平輸入信號P_M，P_M為1則往上加，P_M為0則往下減
• 加脈沖輸入信號Clr，Clr脈沖（高有效）來到，則計數器輸出為0
• 加脈沖輸入信號Load，電平輸入信號DIN[3:0]，Load脈沖（高有效）來到則計數器輸出加載為DIN[3：0]的值
• 增加一個電平輸入信號Hold，當Hold為高電平時，計數器保持當前值，不做增減。

那么首先我們分析這個寄存器的輸入輸出。

輸出就是0~15的數值，需要4bit輸出信號cnt_num，而輸入除了時鐘復位(clk，rstn）外，有P_M，Clr，Load，DIN[3:0]以及Hold。因此我們先把輸入輸出整理出來。

接著我們從輸出設計開始往回（輸入）推導，先定義輸出需要的寄存器來存儲每個周期變化用的計數值，cnt_r，并描述出來：

接著，根據功能定義，描述時序邏輯輸入端的數據路徑：

由于所有控制信號來源于輸入，這個電路可以不做控制路徑的設計。但有心的小伙伴應該發現了，如果Hold為高，則想加載DIN是無法實現的。因此這樣設計的電路，其實是存在優先級的。需要與模塊定義的朋友做深入交流，確保實際功能使用時不會出錯。

同時，我們看到這個電路里用到了1個加法器和一個減法器，如果想進一步優化電路面積，我們可以考慮加法器的復用：

這樣做電路應該怎么改呢？留給大家去思考了。

復雜電路系統設計方法

現在又要有小伙伴說了，我們的電路很復雜的，如果每個都畫出電路，那什么時候能投片。我的理解是，復雜電路都是簡單電路的衍生，按照功能將系統進行框架劃分，并定義出每個框架之間的接口信號及其時序要求，接著再通過畫電路的方法，設計框架里的電路。有些小的電路實際上是會被復用的。每個公司產品線，大部分時間都會處于一個逐步演進的過程，小電路設計多數是剛開始，后續的工作量會逐步降低。

但如果公司從一開始就不重視畫電路，只是電路描述做實現，也許前幾款產品可以正常跑，過了一段時間，客戶可能突然發現有些地方要優化，有些地方有bug，但之前設計人員可能已經離職。電路描述不好，電路圖也沒有，這個時候負責優化和解bug的小伙伴一定會郁悶的。