数字电路设计思想之硬件思维
数字电路设计思想之硬件思维
1 硬件思维与软件思维的差异
Verilog HDL（HDL:Hardware DescripTIon Language）作为一种硬件描述语言，其本质为描述了实际的硬件电路。因此虽然语法上与c有一定的相似度，但在实际设计上有截然不同的思维方式，即硬件思维和软件思维的差异。因此verilog不追求代码简洁，只追求以最合理的方案把代码转化为实际的硬件电路，实现需求的同时达到面积与速度较好。需要注意的是，能够综合的代码最后转化为的是实际的电路，因此我们在设计代码的过程中就应对电路的构造，信号在其中的传输有着清晰的认知。
2 硬件思维实例
在设计电路的过程中，硬件工程师常常反向思考问题，即从输出开始，再反向思考输入。这与软件编程（顺序式、命令式）的方式刚好相反。对于软件程序，人们通常会认为“如果输入是什么，那么输出应该是什么”。而硬件设计师经常认为“当输出是什么，输出应该是什么”。对于硬件工程师来说，能够在两种风格之间进行思考和转换是最重要的技能之一。在这里，给出如下例子，展示硬件思维和软件思维下的电路设计之间的差异及优劣，帮助理解为什么需要用硬件思维设计电路。
例：在空调中，一个升温/降温温度控制器控制着热风机(在冬天)和冷风机(在夏天)。现需要实现一个电路来控制热风机、冷风机及风扇。温控器有两种模式:加热模式(mode= 1)和冷却模式(mode= 0)。在加热模式下，当温度过低(too_cold = 1)时，打开热风机，但是不打开冷风机。在制冷模式下，如果温度过高(too_hot = 1)，则打开冷风机，但不要打开热风机。当热风机或冷风机打开时，打开风扇使空气循环(fan =1)。此外，用户还可以要求单独打开风扇(fan_on = 1)，即使冷风机和热风机均关闭。
2.1 正向思维下的电路
在正向的思维方式中，我们需要考虑的是（mode, too_cold, too_hot,fan_on）的状态来调控输出，其实现如下：
在这种思维方式下，我们关注的是输入，那么随着输入个数的增加，case的数量将会指数型增长，代码会变得冗余且易读性差。而实际上，我们需要关注的只是输出的值是否正确
module top_module (
input too_cold,
input too_hot,
input mode,
input fan_on,
output heater,
output aircon,
output fan
);
always@(*)begin
if(fan_on == 1'b1)
begin
fan = 1'b1;
if(mode == 1)begin
if(too_cold == 1'b1)begin
heater = 1'b1;
aircon = 1'b0;
end
else begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b0;
end
end
else begin
if(too_hot == 1'b1)begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b1;
end
else begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b0;
end
end
end
else
begin
if(mode == 1)begin
if(too_cold == 1'b1)begin
heater = 1'b1;
aircon = 1'b0;
fan = 1'b1;
end
else begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b0;
fan = 1'b0;
end
end
else begin
if(too_hot == 1'b1)begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b1;
fan = 1'b1;
end
else begin
heater = 1'b0;
aircon = 1'b0;
fan = 1'b0;
end
end
end
end
endmodule
2.2 逆向思维下的电路
在逆向的思维方式中，我们只需要考虑输出（fan, heater, aircon）的状态即可，其实现如下：
在这种思维方式下，我们聚焦输出，仅构造输出部分需求的电路即可，极大的减少了逻辑资源的使用，同时也规避了大量的条件判断带来的优先级问题。而二者的输出结果完全一致，这就是逆向思维的好处。
module top_module (
input too_cold,
input too_hot,
input mode,
input fan_on,
output heater,
output aircon,
output fan
);
assign heater = mode && too_cold;
assign aircon = ~mode && too_hot;
assign fan = fan_on || heater || aircon;
endmodule
2.3 输出结果
图1 降温模式时序图
图2 升温模式时序图
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参考资料：HDLBits
