在FPGA设计中，组合逻辑的使用确实需要谨慎，尤其是要尽量减少它的复杂性。这并不是因为组合逻辑本身不好，而是因为它在实际应用中容易引发一系列问题，而这些问题往往与FPGA的设计哲学和硬件特性相冲突。让我从几个关键点来和你聊聊这件事。
组合逻辑的即时性，是一把双刃剑
组合逻辑的最大特点是即时性——它的输出完全由当前输入决定，没有存储功能。这种特性让它在某些场景下非常高效，比如简单的逻辑判断或者快速的数据处理。但问题在于，这种即时性也意味着它的输出完全依赖于信号的传播路径和延迟。FPGA的硬件结构决定了信号的传播时间是不可控的，它受制于布线延迟、逻辑单元的处理时间等因素。而这些延迟在设计完成后可能会因为环境变化（比如温度、电压波动）而发生微小变化。
这就导致了一个很棘手的问题：组合逻辑的行为可能变得不可预测。尤其是在复杂的组合逻辑路径中，延迟的累积效应会让信号的稳定性大打折扣。更糟糕的是，组合逻辑环路（Combinational Loops）会进一步放大这种不确定性。比如，一个输出信号通过组合逻辑反馈到输入节点，形成闭环。这种设计在理论上可能看起来没问题，但在实际运行中，它可能会因为延迟的变化而进入振荡状态，导致整个系统崩溃。EDA工具虽然可以识别并切割这些环路，但切割方式可能与设计初衷不符，最终破坏逻辑功能。
复杂的组合逻辑，是资源的“黑洞”
FPGA的硬件资源并不是无限的，它的核心是LUT（查找表）和寄存器。LUT的结构决定了它只能处理有限的输入组合逻辑。如果组合逻辑过于复杂，可能需要多个LUT级联，这不仅增加了资源消耗，还延长了信号的传播路径，进一步加剧了延迟问题。
举个例子，假设你设计了一个复杂的组合逻辑电路，它需要处理多个输入信号的复杂运算。为了实现这个功能，FPGA可能需要调用多个LUT，并通过布线将它们连接起来。这种设计虽然在理论上可行，但在实际中会导致资源利用率低下，同时信号的传播延迟也会显著增加。而这些延迟的累积效应，最终会让整个系统变得不稳定。
时序分析的“噩梦”
组合逻辑的另一个问题是，它让时序分析变得异常复杂。时序分析是FPGA设计中不可或缺的一环，它用于验证信号是否能在规定时间内到达目标位置。然而，组合逻辑的路径延迟是动态的，且受制于硬件实现细节。这种不确定性让时序分析变得非常困难，甚至可能导致EDA工具无法完成分析。
相比之下，时序逻辑通过引入寄存器，将信号的传播分段处理，从而降低了路径延迟，并使得时序分析更加可控。这也是为什么在复杂设计中，时序逻辑往往更受欢迎。它的分段处理方式不仅提高了系统的稳定性，还让设计更容易被工具分析和优化。
组合逻辑的即时性，违背了FPGA的设计哲学
FPGA的设计哲学是通过寄存器和时序逻辑实现稳定、可预测的数字系统。组合逻辑虽然灵活，但它的即时性和不确定性与这种哲学相冲突。尤其是在需要高稳定性和高可预测性的场景中，比如高速信号处理、实时控制等，组合逻辑的使用需要非常谨慎。
一个典型的例子是流水线设计。通过在组合逻辑中插入寄存器，可以将复杂的逻辑路径分解为多个阶段，从而降低每个阶段的延迟，提高系统的整体性能。这种方法不仅解决了组合逻辑深度过大带来的延迟问题，还使得设计更加符合同步设计原则。
设计的本质，是平衡与取舍
从更深层次来看，组合逻辑的使用问题反映了设计中的一个核心矛盾：即时性与稳定性的权衡。组合逻辑的即时性虽然带来了速度上的优势，但也引入了不确定性和潜在的不稳定性。而时序逻辑通过引入寄存器，牺牲了一部分速度，却换来了更高的稳定性和可预测性。
在FPGA设计中，我们需要在速度、资源利用率和稳定性之间找到一个平衡点。这种平衡并不是固定的，而是随着应用场景的不同而变化。比如，在对速度要求极高的场景中，组合逻辑可能仍然是最优选择；但在对稳定性要求更高的场景中，时序逻辑则是更好的选择。
总结
所以，为什么FPGA设计中要少用组合逻辑？并不是因为它不好，而是因为它在复杂场景中容易引发一系列问题，比如资源消耗过大、设计不稳定、时序分析复杂等。而这些问题，恰恰违背了FPGA设计的核心目标——高效、稳定、可预测。
但我也想说，组合逻辑并非一无是处。**它在某些场景下仍然是不可或缺的，比如简单的逻辑判断或者快速的数据处理。关键在于，我们要清楚它的优缺点，并根据具体需求做出合理的选择。**设计的本质，从来都是在矛盾中找到平衡，而这正是FPGA设计的魅力所在。