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别乱用 FULL_CASE 和 PARALLEL_CASE

2022-06-26 12:37:00 【孤独的单刀】

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写在前面

写在前面

case语句可以说是我们在FPGA开发中使用频率非常高的一条语句。同时，Verilog还提供了语句 casex 和 casez供我们使用。在使用case语句的时候，各类综合工具都提供了以下类似的两句综合语句供我们使用（以Xilinx为例）：FULL_CASE 和 PARALLEL_CASE

这两条综合属性可以帮助我们在一定程度上减少资源，但是其使用也比较容易引入BUG--前后仿真不匹配。接下里就一起看看这把双刃剑的正反两面吧。

1、FULL_CASE的用法

在case语句的使用中，我们通常会加上default语句来说明未使用状态的输出赋值，如果不加上default语句则通常会产生锁存器LATCH。

1.1、使用default语句

在如下的8位独热码编码器中，我们用default语句指令了所有除8个有用状态的其他状态。8位2进制数可以一共表示256个状态，这其中只有这8个状态是独热码，剩余的都是我们不需要的。使用default语句全给其输出接到了统一的0。但是，虽然我们不需要使用其他状态，但是综合出来的电路也会有其他状态的编码部分。

module one_hot(
    input 		[7:0] sel,
    output	reg	[2:0] out
);

always @(*) begin
    case(sel)
        8'b0000_0001 : out = 3'b000;
        8'b0000_0010 : out = 3'b001;
        8'b0000_0100 : out = 3'b010;
        8'b0000_1000 : out = 3'b011;
        8'b0001_0000 : out = 3'b100;
        8'b0010_0000 : out = 3'b101;
        8'b0100_0000 : out = 3'b110;
        8'b1000_0000 : out = 3'b111;
        default : out = 3'b001;
    endcase
end

endmodule

下图是综合出来的电路结构，就是一个纯组合逻辑的编码电路。

使用的资源情况：6个LUT。

1.2、不使用default语句

接下来把default语句注释掉，这样在非独热码状态的情况下，输出就只能保持之前的状态不变了，也就是说3bit输出应该会输出3个锁存器LATCH。

综合出来的电路结构如下，和料想的一致，组合逻辑LUT+锁存器LATCH。

使用的资源情况：5个LUT + 3个FF（FF转变的LATCH）。

1.3、使用综合属性 FULL_CASE

那么综合属性 FULL_CASE是干啥的？

FULL_CASE的作用就是告诉综合工具，在这个case语句中，我已经把所有需要的情况都列出来的，剩下的那些是我不需要，你可别再生成多余的电路了。

还是上面的例子，8bit的独热码编码器，我已经把8个独热码都列出来了，剩下的那256-8=248个臭鱼烂虾都不是独热码编码形式的，我肯定不会用，所以我警告你（综合工具）最好识相点儿，不要生成对应剩余编码的编码电路了。

module one_hot(
    input 		[7:0] sel,
    output	reg	[2:0] out
);

always @(*) begin
    (* full_case *)case(sel)				//所有需要的情况都列出来了
        8'b0000_0001 : out = 3'b000;
        8'b0000_0010 : out = 3'b001;
        8'b0000_0100 : out = 3'b010;
        8'b0000_1000 : out = 3'b011;
        8'b0001_0000 : out = 3'b100;
        8'b0010_0000 : out = 3'b101;
        8'b0100_0000 : out = 3'b110;
        8'b1000_0000 : out = 3'b111;
        //default : out = 3'b001;
    endcase
end

endmodule

综合出来的电路，比上面两种情况少用了很多资源。因为多余的248个状态vivado不需要编码了，只需要对8个独热码状态进行编码即可。

使用的资源情况：3个LUT。

1.4、综合前后电路仿真不一致

优点是显而易见的，就是节省资源。缺点同样明显，那就是 FULL_CASE 语句是一条综合属性，只能在vivado对RTL进行综合，translate成电路的时候才使用，在做功能仿真的时候是不适用的，也就是说会造成前后仿真结果不一致的问题，容易引入BUG。

我们可以写个简单的testbench分别对综合前、综合后的功能仿真做下测试。

`timescale 1 ns/ 1 ns
module one_hot_tb();

reg		[7:0] sel;
wire	[2:0] out;
 
                          
one_hot	one_hot_inst(
    .sel	(sel),
    .out    (out)
);

initial	begin                                                  
	sel=8'b0;	
	# 400 $finish;				//200ns后结束仿真		 
end 

always #10 sel = {$random}%256;	//没10ns生成一个0~255的随机数
 
endmodule

综合前功能仿真结果如下：

由于之前sel值均不是独热码值，所以输出out无法被编码，又没有使用default语句，所以此时的输出均为x。直到第一个独热码00000001出现，输出开始编码到000。后面又不符合独热码规则，无法编码，所以输出值一直保持之前的值不变，成为了事实上的锁存器。

直到输入重新变成了10000000和00100000后，输出才开始变成对应的编码值。

综合后功能仿真结果如下：

这个结果是没有生成锁存器的，即使对于非独热码，也有默认的编码值。

1.5、陷阱

一般情况下，FULL_CASE 语句是不建议使用的，除非你对自己的RTL代码和电路结构有很深的理解。下面是一些使用该语句的陷阱。

（情况一：可能还会存在的锁存器）

有种说法是：FULL_CASE 语句技能减少资源使用，也能消除锁存器。实则不然，在某些情况下FULL_CASE 语句并不能消除锁存器，比如：

module addrDecode1a (mce0_n, mce1_n, rce_n, addr);

output mce0_n, mce1_n, rce_n;
input [31:30] addr;

reg mce0_n, mce1_n, rce_n;

always @(addr)
	(* full_case *)casez (addr) 
	2'b10: {mce1_n, mce0_n} = 2'b10;
	2'b11: {mce1_n, mce0_n} = 2'b01;
	2'b0?: rce_n = 1'b0;
	endcase
endmodule

综合出来的电路结构：可以看到还是综合出了2个锁存器。这是因为在case执行语句中，同时出现了对多个变量和单个变量进行赋值，这使得在某些条件下某些变量是无法执行输出的。

解决这一情况的办法，就是在case语句之前对所有变量均进行赋值，后者直接使用default语句，让所有的情况都有一个入口。

（情况二：非预期的电路结构）

有些时候，如果不注意电路的结构，非要使用FULL_CASE 语句的话，甚至会综合出与预期功能完全不一样的电路。比如：

// no full_case
module code4a (y, a, en);
    output [3:0] y;
    input [1:0] a;
    input en;

    reg [3:0] y;
    always @(a or en) begin
		y = 4'b0;		//初始赋值，防止其他情况无入口产生锁存器
        case ({en,a})
            3'b1_00: y[a] = 1'b1;
            3'b1_01: y[a] = 1'b1;
            3'b1_10: y[a] = 1'b1;
            3'b1_11: y[a] = 1'b1;
        endcase
    end
endmodule

上面的例子中，首先通过 y = 4'b0;为所有情况都提供了一个赋值的入口，防止了锁存器的产生。然后en作为使能信号，只有在其高电平有效的情况下，才能将地址选择信号a对应的输出y[a]的值拉高。

综合出来的电路如下：可以看到每一位y的输出都有en参与运算。

因为地址选择信号只有2位，所以其最大只有4种情况，在上述代码中，这四种情况刚好都列出来。于是，你觉得这个时候可以使用FULL_CASE 语句了，说不定能节省点电路面积。所以，让我们看看接下来会发生什么。

这是使用了FULL_CASE 语句后综合出来的电路：

注意看，这个电路最离谱的是，使能信号en已经和整个电路完全没关系了。这是为什么呢？

这是因为，虽然在使能信号置位时，地址选择信号a只有4个状态；但是在使能信号无效时，地址选择信号a同样有4个状态。如果使用了FULL_CASE 语句，综合工具可能就会认为此时地址选择信号a已经列出了所有的情况，那么case语句中的{en,a}就从一个3bit信号变成了2bit信号，而自动把使能信号en给忽略掉了！

2、PARALLEL_CASE的用法

在学习综合语句PARALLEL_CASE的使用之前可能需要复习一下casex和casez语句的使用。Verilog中case，casez，casex语句的用法

有时在用case语句时，产生的电路会有优先级。如果希望没有优先级，即所有的输入都是并行的情况，要怎么办呢？答案就是使用综合属性PARALLEL_CASE。

PARALLEL_CASE的作用就是告诉综合工具，在这个case语句中，所有已经被我列出来的情况都是并行的，不需要优先级，你可别按优先级给我生成电路了！

比如下面使用casez语句的例子，如果不使用PARALLEL_CASE属性，则综合出来的电路肯定是有优先级的：

module intctl2a (int2, int1, int0, irq);
	output int2, int1, int0;
	input [2:0] irq;
	reg int2, int1, int0;
	
always @(irq) begin
	{int2, int1, int0} = 3'b0;
    casez (irq)
		3'b1??: int2 = 1'b1;
		3'b01?: int1 = 1'b1;
		3'b001: int0 = 1'b1;
	endcase
end

endmodule

综合出来的电路如下。可以看到 int2 只由 irq[2] 决定，int1 由 irq[2] 和 irq[1] 决定，int0 则由irq[2]， irq[1] 和 irq[0] 决定。这是因为 case 语句是有优先级的，写在前面的优先级最高。

接下来我们加入综合属性语句：(* parallel_case *)。

module intctl2a (int2, int1, int0, irq);
	output int2, int1, int0;
	input [2:0] irq;
	reg int2, int1, int0;
	
always @(irq) begin
	{int2, int1, int0} = 3'b0;
	(* parallel_case *)casez (irq)
		3'b1??: int2 = 1'b1;
		3'b01?: int1 = 1'b1;
		3'b001: int0 = 1'b1;
	endcase
end

endmodule

综合的电路如下。修改后的电路已经不存在优先级了，都是对应bit的irq信号直接控制对应的int信号。