1.為什么是RTL

在數字前端領域，RTL幾乎與“設計代碼”概念相同。RTL的英文全稱為Register Transfer Level，中文一般翻譯為寄存器傳輸級，原本是HDL建模的一種層次。以Verilog HDL為例，其建模層次包括系統級、算法級、RTL級、門級和開關級，其中：

*系統級和算法級：描述層次較高，較多的忽略細節時序，設計精度低，但開發容易，設計難度低
*門級和開關級：描述層次較低，設計難度很大，但設計精細度很高
*RTL級：設計難度和設計精度的trade off，同時也是EDA工具能較好處理的最高層級

這里舉出一個乘加器的RTL例子，代碼如下所示：

reg [7:0] a_reg;
reg [7:0] b_reg;
reg [15:0] mul_reg;
reg [15:0] c_reg;
reg [16:0] result_reg;




always @ (posedge clk)
    mul_reg <= a_reg * b_reg;


always @ (posedge clk)
    result_reg <= c_reg + mul_reg;

這段代碼中涉及5個寄存器，以及寄存器之間的關系，例如mul_reg就等于a_reg和b_reg的乘積，RTL級的描述就是以寄存器為基點（例如a_reg、b_reg、mul_reg），描述寄存器之間的關系（例如mul_reg=a_reg*b_reg）的建模層次。

2.RTL拆解

2.1.R(Reg)

RTL首先為R，即寄存器，在RTL級中的寄存器為一種理想寄存器，其具有以下幾種特征：

*存儲：寄存器具有存儲特性，在不復位和賦值的情況下會一直保持當前的值
*延遲：由于寄存器是邊沿敏感器件，僅能在時鐘上升沿（一般不使用下降沿）可以被賦值，因此輸入的數據延遲一個cycle才能在輸出上體現
*時鐘：寄存器具有時鐘輸入端口，賦值的條件時時鐘邊沿+復位無效+有效信號（若有）
*復位：寄存器可以具有同步或異步復位端口，也可以沒有復位端口，復位是優先級最高的賦值端口，會將寄存器輸出變為復位值，且異步復位是立即有效的

對于Reg，可以分為以下幾種類型：

*存儲：用于保存當前的值供下次調用，使用了寄存器的存儲特性，為了滿足功能要求添加，在更上層的建模中可見
*打拍：用于打斷組合邏輯路徑，為了滿足時序要求添加，刪除后（匹配控制路徑）對功能無影響，在更上層的建模中不可見
*狀態：用于保存狀態，以自身狀態為下一狀態的輸入，常見為狀態機、隱式狀態機和計數器幾種，是一條控制路徑或子控制類路徑的起點

根據Reg處于數據路徑還是控制路徑，常見的形態如下表所示：

可以使用下面的例子展示，這里的例子是一個以累加器結尾的流水線，上方是控制路徑，下方是數據路徑。控制路徑的起點是分類為狀態的寄存器，形式為狀態機，后續逐級對狀態信息打拍，這里的目的是為了匹配流水線的延遲，因此分類為打拍，最后將狀態存儲供后續使用，是為了功能添加，因此分類為存儲。數據路徑為流水線，添加流水線的目的是提高運行速率，為了匹配時序目標，因此第一、第二、第三級流水線的分類均為打拍，而最后一級寄存器是累加寄存器，添加的目的是為了保持數據，滿足累加的功能要求，因此分類為存儲：

最后，根據不同類型的寄存器，設計時需要考慮的問題都相對固定，首先分析寄存器是否有必要存在和基本的形式，分析的角度如下所示：

*狀態寄存器：當前設計是集中式控制還是分布式控制，若為集中式控制，狀態寄存器是否需要移動到控制模塊中；若為分布式控制，狀態寄存器的形態為計數器還是顯式狀態機。
*打拍寄存器：邏輯路徑是否過長，若過長，則添加在哪個點既能合理的分割邏輯路徑，又能使用較少bit的寄存器
*存儲寄存器：存儲的訪問方式，容量需求如何，是否需要靈活同時讀寫，是否可以用memory代替

隨后對于寄存器，有一些基本的設計要素，是每個寄存器都要考慮的，包括：

*工作在哪個時鐘域下，和輸入寄存器之間是否存在跨時鐘域的關系
*是否需要異步和同步復位信號，若需要，位于哪個復位域（和其他哪些寄存器能一起復位）
*是否需要用前清零和用后清零
*什么是否需要對其進行刷新，刷新是否需要有效信號（是否考慮自動門控）

對其復位、自動門控和復位的處理如下表所示，其中是否添加異步/同步復位和自動門控優先級主要與位置有關，復位處理主要與分類有關：

2.2.T(Transfer)

Transfer用于描述組合邏輯，即寄存器之間的連接關系，必須依附于寄存器（或端口）存在。Transfer可以用函數表示，描述其依附的Reg的值如何進行更新。以一個累加器為例，其代碼如下所示：

input [7:0] din;
input din_vld;
reg [7:0] dout;
wire dout_transfer;


assign dout_transfer = dout + din;


always @ (posedge clk or negedge rst_b) begin
    if(~rst_b) begin
        dout <= 8'b0;
    end else if(din_vld) begin
        dout <= dout_transfer;
    end
end

其中dout是數據路徑上的存儲寄存器，對應的transfer的函數表達式如下所示：

Transfer又可以分為兩類，分別是有狀態和無狀態：

*有狀態Transfer：其依附的寄存器的值作為transfor的輸入，如上面的例子就是一個有狀態的Transfor，一般來說，有狀態的Transfor只會依附在狀態寄存器、存儲寄存器（累運算）上
*無狀態Transfor：其依附的寄存器的值和transfor的輸入無關，一般依附在打拍寄存器和一部分存儲寄存器（純存儲）上

這兩種類型的Transfer的例子如下圖所示：

和Reg不同，Transfer的功能和基本實現模式由設計人員通過RTL代碼描述，而具體而細節的實現方式一般由綜合器確定（也可以由設計人員手工指定），綜合器主要會對Transfer進行優化，Transfer對應的變量可能在綜合后被重命名，按原有名稱在網表中可能無法找到。

2.3.L(Level)

Level就是層級，這里對R和T做一個總結，以R（和Port）為節點，以T為邊，可以構建一個有向、有環、帶自環邊的圖，如下圖所示：

圖中的節點分為寄存器、端口和常數值（一般忽略），而邊分為控制線和數據線，控制線負責管理刷新時刻，而數據線負責生成刷新值。按另一種說法，如果將一個寄存器的功能用一個或多個不包括分支的函數表示，則函數中的輸入值就都是數據線，其他信號就是控制線，

RTL代碼實質就是描述一張圖的關系，如下一段代碼：

input din_vld
reg cnt_en;reg [7:0] cnt;output dout_vld;
always @ (posedge clk or negedge rst_b) begin    if(~rst_b) begin        cnt_en <= 1'b0;    end else if(cnt == 8'd200) begin         cnt_en <= 1'b0;              // 數據線f(x) = 0    end else if(din_vld) begin               cnt_en <= 1'b1;              // 數據線f(x) = 1    end
always @ (posedge clk or negedge rst_b) begin    if(~rst_b) begin        cnt <= 8'b0;    end else if(din_vld) begin       // 控制線        cnt <= 8'b0;                 // 數據線f(x) = 0    end else if(cnt_en) begin          cnt <= cnt + 1'b1;           // 數據線f(x) = cnt + 1    end
assign dout_vld = (cnt > 8'd128);    // 數據線f(x) = 0 和 f(x) = 1

這段代碼描述了一個計數器生成控制信號的過程，可以轉換為如下所示的圖。其中紅線為控制線，黑線為數據線，忽略了常數值：

3.RTL和Reg/Wire的關系

RTL中的Reg和Transfer與Verilog中常用的Reg和Wire的關系是一個老生常談的話題，這里直接給出結論：

*Verilog中的Reg類型可以建模RTL中的Reg（時序邏輯）和Transfer（組合邏輯），但RTL中的Reg只能用Verilog中的Reg類型建模
*Verilog中的Wire類型只能用來建模RTL中的Transfer（組合邏輯），但RTL中的Transfer（組合邏輯）既可以用Verilog中的Wire類型建模，也可以用Verilog中的Reg類型建模