RTL 設計基礎

課程大綱

1. RTL 與模組契約
   • RTL：描述併發工作的電路概念

     區分軟體執行順序與硬體並行結構，明確當前狀態、下一狀態和觀察時刻。

   • 訊號與連接埠：寬度、方向與時間的契約概念

     閱讀介面，分開定義組合輸出與狀態輸出的驗證基準。

   • 模組、埠與例項：把連線當作契約概念

     用具名連線組合模組，檢查單一驅動來源與層次邊界。

   • 理解檢查：組合輸出與儲存輸出理解測驗

     區分輸入變化時刻與暫存器觀察時刻。

2. 型別、位元寬度、符號與運算式
   • logic、wire、X/Z 與明確的位元寬度概念

     區分型別宣告與儲存器件，檢查常量、比較、擴展和未知值。

   • 向量索引、位元順序與符號概念

     分開位元編號、序列傳輸順序與算術解讀，閱讀資料路徑。

   • 切片、串接與重複運算的寬度概念

     計算串接訊號的總寬度與保值條件，建立資料路徑。

   • 二補數、符號擴展與溢位概念

     透過公式與反例，區分位元序列的 signed 解讀與加法溢位條件。

   • 理解檢查：範圍與顯式擴展理解測驗

     同時檢查加法器輸入和輸出位元寬度。

3. 完整的組合 RTL 與驗證
   • 組合 RTL 與完整指定概念

     用條件運算子與 always_comb 表達同一函數，找出會產生鎖存器的遺漏。

   • 編碼器與優先權：從多個請求選一個概念

     區分獨熱編碼器的輸入假設，以及優先權編碼器的 valid 和選擇結果。

   • MUX 驗證：窮舉檢查與性質概念

     分別檢查組合輸入覆蓋與儲存行為，並縮小反例。

   • 設計確認：選擇電路的等價性與觀察時點理解測驗

     區分只需真值表的驗證，以及必須觀察時脈的驗證。

4. 狀態、賦值與重置優先順序
   • 正反器、enable 與控制優先權概念

     以下一狀態式定義保持、載入與重設，避免非預期的時脈閘控。

   • Nonblocking 指定與同步狀態更新概念

     分開舊值與下一值，正確解讀管線與計數器 RTL。

   • 模數、飽和計數器與結束脈衝概念

     設計最大值處理策略與 terminal-count 訊號的確切週期。

   • 實作：驗證計數器的重設、回捲與不變量實作

     逐上升緣將狀態與參考模型比較，分開初值、重設與位元寬度的影響。

   • 設計確認：寬度、優先權與回捲邊界理解測驗

     依給定狀態轉移規格判斷邊界值與同時控制輸入。

5. 參數與靜態結構生成
   • parameter、localparam、$clog2 與邊界配置概念

     區分執行時輸入和靜態配置，設計 N=1 與非二次冪計數器的位元寬度和終止行為。

   • generate：用迴圈構建靜態電路概念

     用 genvar 與 generate-if 生成具名結構，檢查匯流排 lane 佈局。

   • function automatic 與運算式重用概念

     編寫不消耗時間的函式，檢查回傳值位元寬度、符號與參考模型獨立性。

   • 理解檢查：N=1 與位元寬度理解測驗

     區分最小儲存位元寬度與實際有效狀態數。

6. 測試平台與獨立驗證
   • 波形的取樣時點與因果關係概念

     分開組合穩定、時脈擷取與事件順序來閱讀波形。

   • 實驗：會自行報告失敗的測試平台實作

     分開 DUT、刺激、參考模型和判定，在無競爭的觀察時刻檢查 reset、enable 與迴繞。

   • 驗證計畫、覆蓋率與獨立參考模型概念

     區分測試通過與符合規格，將邊界、交叉條件及最小反例納入驗證計畫。

   • 計數器除錯與最小反例概念

     設計短測試，區分重設、enable 與回捲邊界錯誤。

   • 理解檢查：參考模型與競爭理解測驗

     選擇獨立期望值及時脈邊緣更新後的檢查時間。

7. 模組連接與整合實作
   • 狀態機：分開狀態、轉移與輸出概念

     由規格表建立 FSM，比較 Moore、Mealy 輸出、非法狀態與請求政策。

   • 綜合設計：重疊 101 樣式偵測器概念

     在同一設計中運用狀態最小化、輸入有效性、暫存輸出與獨立參考驗證。

   • Ready/valid 與單格彈性緩衝區概念

     在可暫停資料路徑中設計無遺失、無重複的傳遞條件與同時輸入輸出。

   • 乘加管線與資料對齊概念

     以暫存器邊界切分運算，讓資料、valid 與輔助運算元屬於同一交易。

   • 整合實作：連接週期脈衝與致能累加器實作

     明確用舊值實現模組間傳遞，比較停頓、連續脈衝和同時重置。

8. 工具診斷與結果範圍
   • Setup、hold 與時序預算概念

     分開最大與最小路徑延遲，計算獨立於時脈頻率的 hold 條件。

   • 時脈域邊界與亞穩態概念

     理解兩級同步器的適用範圍，區分單位元、短脈衝與多位元傳輸。

   • 編譯、lint 與合成：診斷能證明什麼概念

     固定原始碼清單、top 和語言模式，區分語法、位元寬度、鎖存器診斷與功能驗證。

   • 執行記錄與 DDS 實踐銜接概念

     整理原始碼、輸入、期望、失敗條件和工具版本，提交可重現實驗。

   • 最終檢查：功能驗證通過與執行證據理解測驗

     區分本地工具結果和 DDS 免費實踐驗收。