FPGA算法工程師、邏輯工程師、原型驗(yàn)證工程師有什么區(qū)別？

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今天給大俠帶來在FPAG技術(shù)交流群里平時(shí)討論的問題答疑合集（十），以后還會(huì)多推出本系列，話不多說，上貨。

Q：FPGA中的FPGA算法工程師、FPGA邏輯工程師、FPGA原型驗(yàn)證工程師三者有什么區(qū)別？

A：FPGA 算法工程師、FPGA 邏輯工程師和 FPGA 原型驗(yàn)證工程師在工作重點(diǎn)和職責(zé)上存在一定的區(qū)別：

FPGA 算法工程師：

主要關(guān)注算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以在 FPGA 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算和處理。他們需要深入理解特定領(lǐng)域的算法，如數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、人工智能等，并將其轉(zhuǎn)化為適合 FPGA 實(shí)現(xiàn)的硬件邏輯。重點(diǎn)在于算法的性能提升、資源利用效率以及與系統(tǒng)的集成。

FPGA 邏輯工程師：

側(cè)重于 FPGA 內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。他們使用硬件描述語言（如 Verilog 或 VHDL）來編寫代碼，構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)字邏輯系統(tǒng)。工作包括模塊的設(shè)計(jì)、功能的實(shí)現(xiàn)、時(shí)序的優(yōu)化以及與其他硬件組件的接口設(shè)計(jì)等。

FPGA 原型驗(yàn)證工程師：

主要負(fù)責(zé)在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段，使用 FPGA 搭建系統(tǒng)原型，對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試。他們需要將系統(tǒng)的高層次設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)化為 FPGA 實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證功能的正確性、性能是否滿足要求，并發(fā)現(xiàn)潛在的問題。同時(shí)，還需要與軟件工程師、硬件工程師緊密合作，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成和測試。

總的來說，F(xiàn)PGA 算法工程師著重于算法優(yōu)化，F(xiàn)PGA 邏輯工程師專注于邏輯設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA 原型驗(yàn)證工程師則側(cè)重于系統(tǒng)原型的搭建和驗(yàn)證。但在實(shí)際工作中，這三個(gè)角色的工作可能會(huì)有一定的重疊和交叉。

Q：Verilog 中定義信號(hào)為什么要區(qū)分 wire 和 reg 兩種類型？

Verilog 中，過程賦值語句要定義成 reg，連續(xù)賦值語句要定義成 wire，而且定義為 reg 不一定真的綜合出register（也可能是純組合邏輯），wire也不一定真的是 wire（也可能是 register）。既然如此，為何 Verilog 語法中要區(qū)分 wire 和 reg 呢？至今都沒想明白有什么必要（除了制造出一些語法錯(cuò)誤）。

A：在 Verilog 中區(qū)分 wire（線網(wǎng)）和 reg（寄存器）兩種類型主要有以下原因：

1. 模擬行為：在 Verilog 模擬器中，wire 用于表示連續(xù)賦值語句的信號(hào)，而 reg 用于表示過程賦值語句的信號(hào)。這種區(qū)分在仿真和調(diào)試時(shí)非常有用，因?yàn)樗从沉诵盘?hào)的不同行為。通過 wire，可以模擬組合邏輯的行為，而通過 reg，可以模擬時(shí)序邏輯的行為。

2. 綜合行為：在綜合時(shí)，wire 表示一個(gè)組合邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸出，而 reg 表示一個(gè)寄存器或存儲(chǔ)元件。硬件綜合工具需要明確知道哪些信號(hào)應(yīng)該被綜合成組合邏輯，哪些應(yīng)該被綜合成寄存器，這種區(qū)分對于綜合工具確定最終的電路結(jié)構(gòu)非常重要。

3. 語法清晰性：區(qū)分 wire 和 reg 使得 Verilog 代碼更加清晰，能夠更準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。通過這種區(qū)分，其他人能夠更容易地理解代碼，而且設(shè)計(jì)者自己在后續(xù)閱讀代碼時(shí)也能更容易地理解其意圖。

4. 錯(cuò)誤檢測：區(qū)分 wire 和 reg 有助于在代碼中發(fā)現(xiàn)一些潛在的錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤地將一個(gè) wire 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（過程賦值），或者將一個(gè) reg 用于連接到組合邏輯中，Verilog 編譯器通常會(huì)產(chǎn)生警告或錯(cuò)誤，幫助發(fā)現(xiàn)潛在的問題。

例如，wire 常用于表示組合邏輯中的信號(hào)連接，它的值會(huì)立即隨著輸入的變化而更新，就像物理連線一樣；reg 則常用于時(shí)序邏輯中，如存儲(chǔ)狀態(tài)信息，其值通常在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿等特定條件下才會(huì)更新。

雖然在某些情況下，定義為 reg 不一定真的綜合出寄存器，wire 也不一定真的是純粹的 wire，但這種區(qū)分仍然是必要的，它為代碼的編寫和理解提供了清晰的指導(dǎo)，同時(shí)幫助確保設(shè)計(jì)在仿真和綜合時(shí)的正確性和預(yù)期行為。

總之，wire 和 reg 的區(qū)分不僅僅是為了滿足語法規(guī)則，更是為了更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)在仿真和綜合階段提供準(zhǔn)確的行為描述，有助于提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和錯(cuò)誤檢測能力。

Q：為什么 Verilog 要避免鎖存器？

A：在 Verilog 中避免鎖存器主要有以下幾個(gè)重要原因：

1. 不可預(yù)測性：鎖存器的輸出可能取決于輸入的歷史值，這使得電路的行為更難以預(yù)測和理解。在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，這種不確定性可能導(dǎo)致難以調(diào)試的錯(cuò)誤。

2. 時(shí)序問題：鎖存器對輸入信號(hào)的變化敏感，不像寄存器（觸發(fā)器）那樣在特定的時(shí)鐘邊沿更新。這可能導(dǎo)致時(shí)序違規(guī)，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3. 綜合工具優(yōu)化困難：大多數(shù)現(xiàn)代的綜合工具在優(yōu)化邏輯時(shí)，對觸發(fā)器的處理相對成熟和高效，但對鎖存器的優(yōu)化可能不夠理想，從而導(dǎo)致面積和功耗方面的不理想結(jié)果。

4. 測試和驗(yàn)證復(fù)雜性：包含鎖存器的設(shè)計(jì)在測試和驗(yàn)證過程中會(huì)增加復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈兊男袨椴蝗缂拇嫫髂菢右?guī)律和可預(yù)測。

5. 可移植性：某些設(shè)計(jì)環(huán)境或工藝可能對鎖存器的支持有限，使用過多鎖存器可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)在不同環(huán)境中的可移植性降低。

綜上所述，為了保證設(shè)計(jì)的可靠性、可預(yù)測性、性能以及可移植性，在 Verilog 設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免鎖存器的出現(xiàn)，而傾向于使用寄存器來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和時(shí)序控制功能。

Q：verilog狀態(tài)機(jī)為什么不全部用時(shí)序邏輯？

verilog中的狀態(tài)機(jī)全部采用時(shí)序邏輯不就不存在時(shí)序邏輯和組合邏輯分開的問題了嗎？為什么一定要用組合邏輯，然后采用三段式的形式呢？

沒太理解狀態(tài)機(jī)中間用組合邏輯會(huì)有什么好處，因此也不是太理解三段式有什么優(yōu)勢。

求大神指點(diǎn)。

比如說這樣的狀態(tài)機(jī)，也可以滿足功能。

采用組合邏輯和三段式寫法與這種方式相比，優(yōu)勢在哪里？

A：在 Verilog 中，狀態(tài)機(jī)可以全部使用時(shí)序邏輯來實(shí)現(xiàn)，但通常會(huì)采用組合邏輯來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出，主要是基于以下原因：

1. 資源利用效率：全部使用時(shí)序邏輯會(huì)導(dǎo)致大量的寄存器資源被消耗，特別是在狀態(tài)數(shù)量較多的情況下。而組合邏輯可以更有效地利用硬件資源，減少寄存器的使用。

2. 性能和速度：組合邏輯的實(shí)現(xiàn)通常比時(shí)序邏輯更快，因?yàn)樗恍枰獣r(shí)鐘邊沿的觸發(fā)。對于一些對性能要求較高的應(yīng)用，組合邏輯可以提供更好的速度和響應(yīng)時(shí)間。

3. 靈活性和可擴(kuò)展性：使用組合邏輯可以更靈活地設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出邏輯，更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)行為。同時(shí)，也便于對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行修改和擴(kuò)展。

4. 代碼可讀性和可維護(hù)性：將狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出邏輯分開，使用組合邏輯實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，可以使代碼更清晰、易懂，提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。

而三段式寫法是一種常見的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方式，它將狀態(tài)機(jī)分為三個(gè)部分：當(dāng)前狀態(tài)、次態(tài)和輸出。這種寫法的優(yōu)勢包括：

1. 清晰的結(jié)構(gòu)：三段式寫法將狀態(tài)機(jī)的不同部分清晰地分開，使代碼結(jié)構(gòu)更清晰，易于理解和維護(hù)。

2. 避免競爭和冒險(xiǎn)：通過將狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出分別處理，可以避免在狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生競爭和冒險(xiǎn)，提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 易于綜合和優(yōu)化：三段式寫法符合硬件設(shè)計(jì)的原則，易于綜合工具進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高電路的性能和資源利用率。

4. 可擴(kuò)展性：三段式寫法便于對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展和修改，可以方便地添加新的狀態(tài)或修改狀態(tài)轉(zhuǎn)移邏輯。

總的來說，雖然全部使用時(shí)序邏輯也可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，但綜合考慮資源利用、性能、靈活性和代碼可讀性等因素，通常會(huì)采用組合邏輯和三段式寫法來實(shí)現(xiàn) Verilog 狀態(tài)機(jī)。這樣可以在滿足功能需求的前提下，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

今天先整理四個(gè)問題答疑，后續(xù)還會(huì)持續(xù)推出本系列。