FPGA算法工程师、逻辑工程师、原型验证工程师有什么区别？

今天给大侠带来在FPAG技术交流群里平时讨论的问题答疑合集（十），以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

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交流问题（一）

Q：FPGA中的FPGA算法工程师、FPGA逻辑工程师、FPGA原型验证工程师三者有什么区别？

A：FPGA 算法工程师、FPGA 逻辑工程师和 FPGA 原型验证工程师在工作重点和职责上存在一定的区别：

FPGA 算法工程师：

主要关注算法的设计和优化，以在 FPGA 平台上实现高效的计算和处理。他们需要深入理解特定领域的算法，如数字信号处理、图像处理、人工智能等，并将其转化为适合 FPGA 实现的硬件逻辑。重点在于算法的性能提升、资源利用效率以及与系统的集成。

FPGA 逻辑工程师：

侧重于 FPGA 内部逻辑电路的设计和实现。他们使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）来编写代码，构建复杂的数字逻辑系统。工作包括模块的设计、功能的实现、时序的优化以及与其他硬件组件的接口设计等。

FPGA 原型验证工程师：

主要负责在产品开发的早期阶段，使用 FPGA 搭建系统原型，对设计进行验证和调试。他们需要将系统的高层次设计快速转化为 FPGA 实现，以验证功能的正确性、性能是否满足要求，并发现潜在的问题。同时，还需要与软件工程师、硬件工程师紧密合作，对整个系统进行集成和测试。

总的来说，FPGA 算法工程师着重于算法优化，FPGA 逻辑工程师专注于逻辑设计，FPGA 原型验证工程师则侧重于系统原型的搭建和验证。但在实际工作中，这三个角色的工作可能会有一定的重叠和交叉。

交流问题（二）

Q：Verilog 中定义信号为什么要区分 wire 和 reg 两种类型？

Verilog 中，过程赋值语句要定义成 reg，连续赋值语句要定义成 wire，而且定义为 reg 不一定真的综合出register（也可能是纯组合逻辑），wire也不一定真的是 wire（也可能是 register）。既然如此，为何 Verilog 语法中要区分 wire 和 reg 呢？至今都没想明白有什么必要（除了制造出一些语法错误）。

A：在 Verilog 中区分 wire（线网）和 reg（寄存器）两种类型主要有以下原因：

1. 模拟行为：在 Verilog 模拟器中，wire 用于表示连续赋值语句的信号，而 reg 用于表示过程赋值语句的信号。这种区分在仿真和调试时非常有用，因为它反映了信号的不同行为。通过 wire，可以模拟组合逻辑的行为，而通过 reg，可以模拟时序逻辑的行为。
2. 综合行为：在综合时，wire 表示一个组合逻辑网络的输出，而 reg 表示一个寄存器或存储元件。硬件综合工具需要明确知道哪些信号应该被综合成组合逻辑，哪些应该被综合成寄存器，这种区分对于综合工具确定最终的电路结构非常重要。
3. 语法清晰性：区分 wire 和 reg 使得 Verilog 代码更加清晰，能够更准确地表达设计者的意图。通过这种区分，其他人能够更容易地理解代码，而且设计者自己在后续阅读代码时也能更容易地理解其意图。
4. 错误检测：区分 wire 和 reg 有助于在代码中发现一些潜在的错误。如果错误地将一个 wire 用于存储数据（过程赋值），或者将一个 reg 用于连接到组合逻辑中，Verilog 编译器通常会产生警告或错误，帮助发现潜在的问题。

例如，wire 常用于表示组合逻辑中的信号连接，它的值会立即随着输入的变化而更新，就像物理连线一样；reg 则常用于时序逻辑中，如存储状态信息，其值通常在时钟信号的上升沿或下降沿等特定条件下才会更新。

虽然在某些情况下，定义为 reg 不一定真的综合出寄存器，wire 也不一定真的是纯粹的 wire，但这种区分仍然是必要的，它为代码的编写和理解提供了清晰的指导，同时帮助确保设计在仿真和综合时的正确性和预期行为。

总之，wire 和 reg 的区分不仅仅是为了满足语法规则，更是为了更好地表达设计意图，同时在仿真和综合阶段提供准确的行为描述，有助于提高代码的可读性、可维护性和错误检测能力。

交流问题（三）

Q：为什么 Verilog 要避免锁存器？

A：在 Verilog 中避免锁存器主要有以下几个重要原因：

1. 不可预测性：锁存器的输出可能取决于输入的历史值，这使得电路的行为更难以预测和理解。在复杂的设计中，这种不确定性可能导致难以调试的错误。
2. 时序问题：锁存器对输入信号的变化敏感，不像寄存器（触发器）那样在特定的时钟边沿更新。这可能导致时序违规，影响整个系统的性能和稳定性。
3. 综合工具优化困难：大多数现代的综合工具在优化逻辑时，对触发器的处理相对成熟和高效，但对锁存器的优化可能不够理想，从而导致面积和功耗方面的不理想结果。
4. 测试和验证复杂性：包含锁存器的设计在测试和验证过程中会增加复杂性，因为它们的行为不如寄存器那样规律和可预测。
5. 可移植性：某些设计环境或工艺可能对锁存器的支持有限，使用过多锁存器可能导致设计在不同环境中的可移植性降低。

综上所述，为了保证设计的可靠性、可预测性、性能以及可移植性，在 Verilog 设计中应尽量避免锁存器的出现，而倾向于使用寄存器来实现存储和时序控制功能。

交流问题（四）

Q：verilog状态机为什么不全部用时序逻辑？

verilog中的状态机全部采用时序逻辑不就不存在时序逻辑和组合逻辑分开的问题了吗？为什么一定要用组合逻辑，然后采用三段式的形式呢？

没太理解状态机中间用组合逻辑会有什么好处，因此也不是太理解三段式有什么优势。

求大神指点。

比如说这样的状态机，也可以满足功能。

采用组合逻辑和三段式写法与这种方式相比，优势在哪里？

A：在 Verilog 中，状态机可以全部使用时序逻辑来实现，但通常会采用组合逻辑来实现状态转移和输出，主要是基于以下原因：

1. 资源利用效率：全部使用时序逻辑会导致大量的寄存器资源被消耗，特别是在状态数量较多的情况下。而组合逻辑可以更有效地利用硬件资源，减少寄存器的使用。
2. 性能和速度：组合逻辑的实现通常比时序逻辑更快，因为它不需要时钟边沿的触发。对于一些对性能要求较高的应用，组合逻辑可以提供更好的速度和响应时间。
3. 灵活性和可扩展性：使用组合逻辑可以更灵活地设计状态转移和输出逻辑，更容易实现复杂的状态机行为。同时，也便于对状态机进行修改和扩展。
4. 代码可读性和可维护性：将状态转移和输出逻辑分开，使用组合逻辑实现状态转移，可以使代码更清晰、易懂，提高代码的可读性和可维护性。

而三段式写法是一种常见的状态机实现方式，它将状态机分为三个部分：当前状态、次态和输出。这种写法的优势包括：

1. 清晰的结构：三段式写法将状态机的不同部分清晰地分开，使代码结构更清晰，易于理解和维护。
2. 避免竞争和冒险：通过将状态转移和输出分别处理，可以避免在状态转移时产生竞争和冒险，提高电路的稳定性和可靠性。
3. 易于综合和优化：三段式写法符合硬件设计的原则，易于综合工具进行分析和优化，提高电路的性能和资源利用率。
4. 可扩展性：三段式写法便于对状态机进行扩展和修改，可以方便地添加新的状态或修改状态转移逻辑。

总的来说，虽然全部使用时序逻辑也可以实现状态机，但综合考虑资源利用、性能、灵活性和代码可读性等因素，通常会采用组合逻辑和三段式写法来实现 Verilog 状态机。这样可以在满足功能需求的前提下，提高设计的效率和质量。

今天先整理四个问题答疑，后续还会持续推出本系列。