边沿触发触发器含双上升沿敏感列表时表现为透明锁存器问题

测试环境与需求 #

• 开发板：Terasic DE10-Lite
• 编程工具：Quartus Prime Lite Edition
• 硬件定义：SW[0]为输入开关，LEDR[0]为输出LED，KEY按键为低有效
• 需求：实现边沿触发触发器，当KEY[0]或KEY[1]产生上升沿时，将SW[0]的值存入寄存器r0并通过LEDR[0]显示

正常工作的单按键代码 #

以下代码可按预期实现KEY[0]上升沿触发的功能：

module flipfloptest (
    input [9:0] SW,
    input [1:0] KEY,
    output [9:0] LEDR);
    reg r0;
    assign LEDR[0] = r0;
    always @(posedge(~KEY[0]))
        r0 <= SW[0];
endmodule

修改后异常的双按键尝试代码 #

尝试将KEY[1]加入敏感列表，意图实现任意按键触发，但电路变为透明锁存器——LEDR[0]直接跟随SW[0]状态变化，无需按键操作，按键动作也无影响：

module flipfloptest (
    input [9:0] SW,
    input [1:0] KEY,
    output [9:0] LEDR);
    reg r0;
    assign LEDR[0] = r0;
    always @(posedge(~KEY[0]) or posedge(~KEY[1]))
        r0 <= SW[0];
endmodule

疑问 #

为何该敏感列表的行为不符合直觉？如何正确解读其逻辑？

正确实现的时钟+状态机代码 #

已通过系统时钟同步+状态机的方式实现预期功能，代码如下：

module flipfloptest (
    input MAX10_CLK1_50,
    input [9:0] SW,
    input [1:0] KEY,
    output [9:0] LEDR);
    reg [1:0] tic0, tic1;
    reg r0;
    assign LEDR[0] = r0;
    always @(posedge MAX10_CLK1_50) begin
        case (tic0)
            0: tic0 = (~KEY[0])?1:0;
            1: tic0 = (~KEY[0])?2:0;
            2: tic0 = (~KEY[0])?2:0;
        endcase
        case (tic1)
            0: tic1 = (~KEY[1])?1:0;
            1: tic1 = (~KEY[1])?2:0;
            2: tic1 = (~KEY[1])?2:0;
        endcase
        if (tic0==1 | tic1==1)
            r0 <= SW[0];
    end
endmodule

问题解析 #

敏感列表的错误逻辑 #

Verilog中always @(posedge A or posedge B)的写法无法综合出两个独立的边沿触发触发器。综合工具会将其解读为：只要A或B出现上升沿就执行赋值，但由于缺少统一时钟信号，工具无法生成边沿触发寄存器，反而会推断出透明锁存器——只要任意一个按键的~KEY处于高电平（按键按下），或存在上升沿，逻辑就会持续响应，SW[0]的变化会直接传递到r0，导致锁存器失去锁存功能。

单按键代码正常的原因 #

单按键的always @(posedge(~KEY[0]))是标准的边沿触发寄存器写法，综合工具能明确识别这是由~KEY[0]上升沿触发的D触发器，仅在按键释放（KEY[0]从低变高，对应~KEY[0]上升沿）时捕获SW[0]的值，符合边沿触发预期。

双按键边沿触发的正确思路 #

FPGA触发器仅能由单个时钟信号的边沿触发，无法同时响应多个异步信号的边沿。实现多按键边沿检测必须采用同步时钟采样的方式：

1. 用系统时钟（如MAX10_CLK1_50）同步按键输入，消除亚稳态问题
2. 通过状态机或两级寄存器检测按键的边沿跳变
3. 在检测到边沿时执行赋值操作

你最终的时钟+状态机代码就是正确实现：通过系统时钟同步采样按键状态，用状态机识别按键上升沿（对应按键从按下到释放的过程），检测到边沿时更新r0的值，这是FPGA中实现多异步信号边沿检测的标准方案。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user20828066