什么是好的FPGA编码风格？（3）--尽量不要使用锁存器Latch

前言

在FPGA设计中，几乎没人会主动使用锁存器Latch，但有时候不知不觉中你的设计莫名其妙地就生成了一堆Latch，而这些Latch可能会给你带来巨大的麻烦。

什么是锁存器Latch？

Latch，锁存器，一种可以存储电路状态信息的组合逻辑元件，和同样可以保存电路状态的时序逻辑元件–触发器（Flip-Flop，FF）不同，锁存器只在其使能端口有效时，将输入传递给输出；而在其使能端口无效时，输出则保持不变，就像被“锁住储存”起来了一样。

下图是一个典型的Latch的门电路结构。当使能信号E无效时，两个与门的输出均为0，对后面的SR锁存器即或非门无影响，所以无论输入D的值为1或0，输出Q的值都不会改变，就像被“锁住”了。

当使能信号E有效且输入D为1时，两个与门的输出分别为0和1、此时的输出Q值为1，与输入D一致。

当使能信号E有效且输入D为0时，两个与门的输出分别为1和0、此时的输出Q值为0，同样与输入D一致。

Latch有什么危害？

当Latch的使能信号有效时，直接让输入信号通过，使得输出完全等于输入。这一特性无疑会很容易地引入毛刺，使得设计不稳定；其次，Latch没有时钟信号，是一个异步电路元件，这就使得综合工具对Latch的静态时序分析十分困难。

而同步逻辑所使用的触发器FF，它的典型结构是这样的，由2个Latch+1个反相器组成。
当时钟信号Clock为高电平时，第1个Latch的使能有效，输入数据直接通过；由于反向器的存在，第2个Latch的使能端无效，所以其输出保持不变。

当时钟信号Clock为低电平时，第1个Latch使能无效，其输出保持不变，而这个输出也就是在时钟信号处于下降沿时的输入信号；由于反向器的存在，第2个Latch的使能端有效，输入直接传递到输出，此时最终输出的是在时钟下降沿时采集的输入信号。

可以看到，在同步电路中，FF的输出只在时钟边沿（这里是下降沿）变化，而在其他时间是保持不变的，这样一来，即使某些时刻在输入上出现了毛刺，但只要这个毛刺不发生在时钟边沿，那它就不会传递到输出进而影响后面的电路。

显然，同一个时钟周期比起来，时钟边沿持续的时间实在是微不足道，所以这大大降低了毛刺影响电路的概率。这也是同步电路相对于异步电路的一个大优点。

什么样的代码会生成Latch

下面的一些代码风格是会生成Latch的：

if-else语句不完整的组合逻辑

在组合逻辑中，如果if-else语句没有写完整的话，是会生成Latch的（不管你是有意还是无意的），因为缺失掉的条件会被综合工具理解成不变，即锁存。

module test(
    input         data,
    input         en,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    if(en)
        q = data;
end

endmodule

Vivado中生成的RTL电路如下–一个Latch。

生成Latch的时候，Vivado也会报警告，所以设计的时候请务必多多关注这些信息！

有些时候，尽管你的if-else语句已经很完整了，也还是会生成Latch，就像这样：

module test(
    input         data,
    input         en,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    if(en)
        q = data;
    else    
        q = q;        //输出反馈给了输入，相当于没变
end

endmodule

这是因为输出直接反馈给了输入，使得输出等于输入，相当于没变化，依然是被锁存住了。

消除Latch的方法有两种：

• 1、补全if-else语句。注意不能将输出反馈给输入，而是应该给输入赋一个其他值，例如0、1或其他变量。

module test(
    input         data,
    input         en,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    if(en)
        q = data;
    else    
        q = 1'b0;        //q = 1'b1也可以
end

endmodule

• 2、赋初值。在条件语句之前给输出一个初始值。

module test(
    input         data,
    input         en,
    output reg    q
);

always@(*)begin
        q = 1'b0;        //q = 1'b1也可以
    if(en)
        q = data;
end

endmodule

两种方法中推荐第一种方法，因为比较规范，代码风格容易统一。这样的代码不会生成Latch，而是生成一个组合逻辑用的2选1MUX：

case语句不完整的组合逻辑

与if-else句类似，如果case语句的分支没有列举完全，也是会生成Latch的，比如这样：

module test(
    input         data0,data1,
    input        sel,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    case(sel)
        1'b0: q = data0;
    endcase
end

endmodule

Vivado中生成的RTL电路会有Latch：

类似的，有些时候尽管你的case语句已经很完整了，但因为出现了反馈语句（即输出反馈给输入）也还是会生成Latch，就像这样：

module test(
    input         data0,data1,
    input        sel,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    case(sel)
        1'b0: q = data0;
        1'b1: q = q;        //反馈语句
    endcase
end

endmodule

消除锁存器的方法有三种：

• 1、补全case语句。注意不能将输出反馈给输入，而是应该赋一个其他值，例如0、1或其他变量。

module test(
    input         data0,data1,
    input        sel,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    case(sel)
        1'b0: q = data0;
        1'b1: q = data1;        
    endcase
end

endmodule

• 2、赋初值。在case语句之前给输出一个初始值。

module test(
    input         data0,data1,
    input        sel,
    output reg    q
);

always@(*)begin
    q = data1;    
    case(sel)
        1'b0: q = data0;        
    endcase
end

endmodule

• 3、使用default语句作为默认语句。default语句用来补充其他所有没有列举出来的结果。

module test(
    input         data0,data1,
    input        sel,
    output reg    q
);

always@(*)begin
        
    case(sel)
        1'b0:         q = data0;
        default:    q = data1;
    endcase
end

endmodule

在实践中，最推荐第三种写法。风格比较规范和统一。有时候编码的时候可能会把case语句的所有分支都列举出来，这种情况下依然建议保留default语句。

这样的代码就不会生成Latch了，而是生成一个组合逻辑用的2选1MUX：

时序逻辑电路会生成Latch吗？

如果以上出现Latch的写法转换成时序逻辑，是否也会生成Latch？比如这样：

module test(
    input         data,
    input         en,
    input        clk,
    output reg    q
);

always@(posedge clk)begin
    if(en)
        q <= data;
end

endmodule

答案是不会。只会生成一个寄存器reg（实际上就是一个FF）。

因为在时序逻辑中，即使不补全if-else语句，由于FF/REG的特性，它本身就可以在非时钟边沿存储数据，所以像这样的语句：

else q <= q; //保存值

写或不写在功能上都是一样的。但是在实践中，还是建议补全，目的是养成风格统一、良好的编码习惯。

Latch在FPGA中是什么情况？

网上有种说法：在FPGA设计中不使用Latch的一个很大原因是FPGA中没有现成的Latch资源，如果要用，则需要消耗非常多的资源来构建Latch。

这种说法是错的。以Xilinx的7系列FPGA为例，Latch实际上是其内部存在的固定资源。一个Slice中有一半的逻辑资源可以被配置为Latch或FF，另一半只能被配置成FF。但是需要注意的是，如果Silice中的FF被配置成了Latch，那么剩余的4个FF就不能用了，这样确实是会造成资源的浪费。

Xilinx的7系列FPGA中的FF可以被配置成两种类型的Latch： LDCE和LDPE。

• 异步复位的LDCE：比我们熟知的Latch多了一个异步复位端口。
• 异步置位的LDPE：比我们熟知的Latch多了一个异步置位端口。

所以听起来似乎毫无用处的Latch，为什么还存在于FPGA中？

• 首先Latch是被做成了和部分FF二选一的一个器件，而不是独立器件，这确实也说明在FPGA设计中确实需求不高，不然肯定就做成了FF这种固定的底层器件了。但这样一来，也增加了FPGA底层资源的灵活性，保留了更多的设计可能。
• 其次，Latch在某些特定应用还是需要的，比如IC设计中的time borrowing来提高时序性能、门控时钟、某些总线接口用来锁存数据等。

总之，Latch的用武之地确实有，但不多。 不是特殊需求，请尽量避免使用Latch！

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