FPGA设计干净的代码是程序员的核心技能

mdy-郭柏荣

在正式开始之前，我们先看看一位FPGA工程师的工作日常：
$ v; T6 X$ g$ g8 d' X3 T5 H开始设计代码
开始写第一个always代码
发现要增加一个信号，因此写第二个always,设计这个新增的信号
回到第一个always上，继续完善这个代码
开始写第三个always代码
感觉第一个always有情况没考虑到
一阵重新思考
回去修改第一个always的代码
写完后，得了，不检查代码了，仿真再说吧。

仿真过程：
" N! ^4 y! [0 l, M每个时钟上升沿一个一个检查
; P1 b' N7 E& I% o9 Q- j$ S发现这时某信号没有变高
  D6 t" ~, d5 m; v: d检查代码，把BUG补上
继续检查波形，继续补BUG
发现信号A和B时序对不齐
思考是打补丁呢还是打补丁呢
是改这个信号呢，还是改那个信号，还是加一个信号
一番折腾后，终于对齐了
, q" _- d8 ]9 c* }( K修改测试文件，再测试
/ Y8 M8 j* l6 A还是有BUG，继续打补丁

: p5 ^! V" Z8 T! c. R( I  M# J该上板调试了
$ U3 a: p0 s/ s* n  E0 J" f系统跑一会没问题，长时间跑就出BUG
( v/ r3 j3 ^7 ^1 C' M0 i" j用调试工具各种分析各种定位
一番折腾后，终于找到BUG
' F4 r2 E8 c% J/ d# X一个corner没想到/粗心大意漏了个条件/
- i+ s  g1 U( r. Q早知道，要没这BUG，我早就做完了
0 H4 P" H/ x9 E0 ~1 j
又出现BUG了，又要来折腾啦。

这个场景是不是觉得很熟悉？还有下面这些情形也许都遇到过：一个项目看上去很简单，精心设置了架构，结果越做发现冲突越多，直到整个逻辑完全混乱。本来一天可以的完成的事不知道怎么搞的一个星期还没有完成；本来只需要做一行更改，结果却涉及到N个模块；出现了一个非常小的BUG打了一个补丁，然后补丁越来越多，到最后无法解决。诸如此类等等情况不一而足，究其原因，总离不开“混乱”两个字。这些混乱的根源是什么？又该如何解决呢？

一个好的FPGA项目的设计作品，不仅依赖于架构设计，优秀的代码也是必不可少的关键因素。而好的代码最基本的就是清晰整洁。整洁的代码运行稳定，也是后期维护和升级的基础。正如C++语言发明者Bjarne  Stroustrup说的那样：“代码逻辑应当直截了当，叫缺陷难以隐藏；尽量减少依赖关系，使之便于维护；依据某种分层战略完善错误处理代码；性能调至最优，避免其他人优化时不知所措从而出现混乱状态。整洁的代码只做好一件事。”

这段话说得实在太好了，整洁的代码只去做好一件事。事实上，有两点只要做到了，就可以大大提高自己代码的整洁度。第一、写简单的代码；第二、把复杂的代码简单化。下面我们通过一个小的实例来说明一下。我们先来看这样一组代码：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin     if(rst_n==1'b0)begin         shi_ge <= 0 ;     end     else if(((set_flag == 1'b1 && set_sel == 4)&& (key_vld == 1 && key_num == 4'b0010)) || shi_ge_add)begin         if(shi_shi ==2 && shi_ge == 3)begin             shi_ge <= 0 ;         end         else if((shi_shi == 0 || shi_shi ==1) && shi_ge == 9)begin             shi_ge <= 0 ;         end         else begin             shi_ge <= shi_ge + 1 ;         end     end end

这个程序时一个数字时钟功能的其中一份关于小时个位的代码。小时个位复位等于0（第3行代码）；设置的语句（第5行代码），意思是当你选中小时的个位并且按键按下去，小时个位+1，或者说正常情况下一个小时+1。这里需要注意的是：首先小时的计数方式在0：00——9：00，10：00——19：00，20：00——23：00情况下+1；另外几个时间点清零。

我们来分析一下，在这份代码的设计中需要考虑到很多因素。第一、需要考虑按键；第二、按下去时与正常计数的关系；第三、需要数多少次清零，比如说9点、19点、23点清零；当很多因素混在一起去考虑，特别是格式没有被规范的时候，就容易出现混乱、遗漏点或是相互之间出现冲突，出错的可能性随之变大。

接下来我们来看另外一组代码的思路和操作。

首先，我们建立一个通用的计数器模板，命名为jsq。每次遇到计数器，只需要输入JSq，即可调入该模板。（注：关于模板的设置以后章节介绍）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin     if(!rst_n)begin         cnt <= 0;     end     else if(add_cnt)begin         if(end_cnt)             cnt <= 0;         else             cnt <= cnt + 1;     end end assign add_cnt = ;       assign end_cnt = add_cnt && cnt== ;

接下来设置什么时候个位+1，分为两种情况：1、按键按下去；2、自然计数+1；（第13行）

采用变量法设置X-1；即先不用去管数多少下，反正数完就清零；（第14行）

最后我们设置数多少下。20：00时数4下；其它时候数10下；（16~21行）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin     if(!rst_n)begin         cnt <= 0;     end     else if(add_cnt)begin         if(end_cnt)             cnt <= 0;         else             cnt <= cnt + 1;     end end assign add_cnt =((set_flag == 1'b1 && set_sel == 4)&& (key_vld == 1 && key_num == 4'b0010)) || shi_ge_add ;       assign end_cnt = add_cnt && cnt== x-1 ; always  @(*)begin     if(shi_s == 2)         x = 4 ;     else         x = 10 ; end

现在我们来回顾一下这段代码，从中不难发现，设计的总体思路有着严密的逻辑和步骤，并采取了便捷工具（模板）来规范了代码编写，减少了设计量。最重要的是设计者的意图清晰了然，控制语句直截了当，代码之间相互依赖性非常低，作者之外的开发者阅读和增补非常轻松。

这一节我们讲到了代码混乱的根源及解决这个问题的技巧，下一节我们要讲到的是简单代码规则的技巧。

培训班以阶段性项目训练为主，老师辅导学习形式。应用中学会fpga设计；培训分为三个阶段：

学习计数器、状态机、软件、调试技巧等FPGA基础知识

目标：掌握明德扬至简设计法的思维和技巧、掌握fpga基本应用。达到给出功能做出设计的目标

学员独立完成至少5个大项目。目标：深刻掌握fpga应用，了解一个完整的fpga开发流程

拿到项目经验，成为简历亮点。

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mdy-郭柏荣

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