FPGA之組合邏輯與時序邏輯、同步邏輯與異步邏輯的概念

FPGA之組合邏輯與時序邏輯、同步邏輯與異步邏輯的概念組合邏輯電路與時序邏輯電路數(shù)字電路根據(jù)邏輯功能的不同特點，可以分成兩大類：一類叫做組合邏輯電路，簡稱組合電路或組合邏輯;另一類叫做時序邏輯電路，簡稱時序電路或時序邏輯。如果數(shù)字電路滿足任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，那么該數(shù)字電路為組合邏輯電路。相反，如果數(shù)字電路任意時刻的輸出不僅取決于當前時刻的輸入，而且還取決于數(shù)字電路原來的狀態(tài)，那么該數(shù)字電路為時序邏輯電路。例如，下圖中只由一個與門組成的電路就是一個組合邏輯電路。對于上圖所示數(shù)字電路，無論在任何時刻，并且無論上次A、B輸入是什么情況，只要在當前時刻輸入端口A、B同時為邏輯1時，輸出端C才會輸出邏輯1，而其他情況下輸出端C都會輸出邏輯0。由此可見符合組合邏輯電路的定義。如果上圖中與門的兩個輸入端分別是來自一個寄存器的輸入和輸出，如下圖所示，那么這就肯定是一個時序電路。對于上圖所示數(shù)字電路，假設寄存器中目前保存的值是邏輯1，而此時輸入端B沒有從邏輯0到邏輯1的跳變(B相當于寄存器的時鐘信號)，設此時B為邏輯0，那么如果輸入端A為邏輯1，則C輸出邏輯1;但是如果過了一段時間后，A變?yōu)?，且隨后B的上升沿到來，那么寄存器中保持的值變?yōu)檫壿?，那么在這之后，若令輸入端A為邏輯1，B為邏輯0，則由于寄存器中保存著邏輯0值，所以C輸出邏輯0。對比前后兩種情況，A、B兩端的輸入都是邏輯1，但是C的輸出卻不同。由此可見，該數(shù)字電路的輸出并不完全由輸入決定，因此它是一個時序邏輯電路。對比如上兩例我們可以看出，時序邏輯電路和組合邏輯電路并不是完全割裂開來的，而更像是一種包含關系，即時序邏輯電路中肯定有組合邏輯的成分存在，但組合邏輯電路中卻不可能有時序邏輯的成分存在。由此可見，只要加以恰當?shù)南拗?，時序邏輯電路甚至可以完全模擬組合邏輯電路的功能，例如查找表LUT。FPGA中用LUT來實現(xiàn)組合邏輯，但是LUT本身是不包含任何功能的，在FPGA上電或配置的時候?qū)ζ渲械拇鎯d體進行相關設定的賦值，然后LUT由于記住了這個賦值設定，才能模仿各種各樣的組合邏輯功能。由于FPGA一般都是基于SRAM工藝的，因此FPGA中的LUT不太可能是基于多路選擇器和一系列到電源和地的熔絲組成，如果該查找表是由ROM、RAM或者寄存器等實現(xiàn)的，那么它也是有記憶的，只不過在整個電路工作期間，它不會改變自己的記憶罷了。所以，我們可以認為時序邏輯電路是有記憶的，而組合邏輯電路是無記憶的。有記憶的可以模仿無記憶的，而無記憶的卻不能模仿有記憶的。同步邏輯電路與異步邏輯電路基于FPGA的設計幾乎都是時序邏輯電路，極少會有設計純組合邏輯電路的情況。記憶性賦予時序邏輯電路更多的功能和更豐富的表達，因此，時序邏輯電路在FPGA的設計中占有非常重要的地位。對于時序邏輯，按信號間關系來看，又可分為同步時序邏輯和異步時序邏輯，簡稱同步邏輯和異步邏輯。時序邏輯電路中最關鍵的就是驅(qū)動各個記憶元素(例如寄存器、RAM甚至鎖存器等)進行記憶動作的時鐘信號。通常，我們認為只被一個時鐘信號驅(qū)動的設計叫做同步時序邏輯。這是因為所有記憶元素都在被同一個時鐘信號驅(qū)動，那么它們的輸出都會同時變化，所以它們對數(shù)字電路的影響是同步的。例如下圖：不過這個定義還有些狹隘，廣義的同步時序邏輯概念中，允許數(shù)字電路中有多個時鐘存在，但是這些時鐘之間應該有著固定的因果關系，又或者它們所驅(qū)動的記憶單元在電路上是完全隔離的。對于第一種情況：如果多個時鐘信號之間有固定的因果關系的話，那么即使它們對電路的影響不是完全同時的，但可以根據(jù)時鐘之間的因果關系推斷出這種時間上的固定誤差，從而電路狀態(tài)的變化也是完全可預期的，因此可以認為是同步。例如如果多個時鐘驅(qū)動的記憶單元之間完全是隔離的，那么其實它們就是多個同步時序邏輯電路的簡單集合體，因此也是同步的。例如：那么從廣義同步時序邏輯電路的概念出發(fā)，凡是不符合的即屬于異步時序邏輯電路。不過這樣的定義顯得太過偷懶，那么這里總結一下異步時序邏輯的特點，給出異步時序邏輯電路的概念：如果時序邏輯電路存在至少一個這樣的組合邏輯功能塊——它的輸入、輸出端口不全來自或?qū)胍粋€時鐘或若干個具有因果關系的時鐘所驅(qū)動的記憶元素，那么該電路為異步時序邏輯電路。例如，下圖組合邏輯(一根連線也是組合邏輯，可看成緩沖門)的輸入由clk1時鐘驅(qū)動的寄存器提供，輸出卻給了clk2驅(qū)動的寄存器?；蛳聢D，與門的輸入來自不同的時鐘所驅(qū)動的寄存器。或下圖，與門的兩個輸入一個來自時鐘驅(qū)動的寄存器，一個來自純組合的輸入端口。對比同步邏輯和異步邏輯的概念，我們可以了解到它們也