Внешний входной сигнал SCK, например от интерфейса SPI, и внутренний системный сигнал CLK микросхемы FPGA являются асинхронными друг относительно друга. Поэтому в какие-то моменты времени может возникать ситуация, когда переключения сигналов возникают в одно и тоже время. Т.е. фронт сигнала CLK, по которому работает логика в FPGA, совпадает с фронтом/спадом внешнего сигнала.

В таких случаях D-триггер не может достоверно "захватить" входной сигнал, возникает неопределенность на его выходе - напряжение не "0" и не "1". Это неопределенное состояние не может длиться долго, и через некоторое время за счет внутренних токов выход уплывет либо в "0", либо в "1". Но, в течение этого времени нельзя неопределенное состояние пропускать дальше в схему. Поэтому, используется второй и более D-триггеров в цепочке, которые не пропускают эту неопределенность дальше. Предполагается, что к моменту выхода из цепочки D-триггеров неопределенность должна исчезнуть.

module spi_slave(
    input clk,
    input SCK,
    ...
);

  reg [2:0] SCK_sync;
  always @(posedge clk) SCK_sync <= {SCK_sync[1:0], SCK};
  wire SCK_rising_edge  = (SCK_sync[2:1]==2'b01);   // detect SCK rising edges
  wire SCK_falling_edge = (SCK_sync[2:1]==2'b10);   // detect SCK falling edges
  
  ...
endmodule  

Links:

• МАРСОХОД: Синхронизатор сигнала для CDC на Verilog
• МАРСОХОД: Еще о метастабильности

Непрерывное присваивание, =

• используется для описания простой комбинационной логики
• Вместе с оператором assign и при определении wire
• Слева - wire или выходной порт модуля, справа - любые выходы и операции

  wire [1:0] a;
  wire [1:0] b = 2'b10;
  
  assign a = b + 2'b01;

Неблокирующее присваивание, ⇐

• Используется только для последовательностной логики
• Только внутри always блока, порядок присваивания не важен
• Слева reg, справа - любые выходы и операции

  reg [1:0] a;
  reg [1:0] b;
  
  always @(posedge clk)
  begin
    if (swap_en)
    begin
      a <= b;
      b <= a;
    end;
  end

Блокирующее присваивание, =

• Используется только для последовательностной логики
• Только внутри always блока, важен порядок присваивания.
• Пока выражения не зависят друг от друга - получается такая же схема, что и при неблокирующих присваиваниях

  always @(posedge clk) begin
    x = x + 1;
    y = x;
  end
  
  равнозначно
  
  always @(posedge clk) begin
    x <= x + 1;
    y <= x + 1;
  end

Links:

• О видах присваиваний в Верилоге
• Блокирующие и неблокирующие назначения операторов присваивания
• YouTube, ФРТК МФТИ: Verilog. Последовательностная логика. (Посл. логика, счетчик и делитель частоты)

Регистровый тип является логической сущностью Верилога и не всегда превращается в физический регистр при синтезе. Иногда регистровый тип нужен для того, чтобы обойти некоторые ограничения синтаксиса языка.

reg [7:0] data_in;

always
    case ({cpu_memr,cpu_inport,interrupt})
    3'b100:    data_in <= ram_data;
    3'b010:    data_in <= io_data;
    3'b001:    data_in <= 8'hFF;
    default:   data_in <= 8'hZZ;
    endcase

Несмотря на то, что переменная data_in формально является регистром, она будет синтезирована как обычная шина типа wire, а присоединена эта шина будет к выходу описанного оператором case мультиплексора. Переменная регистрового типа превращается в регистр только тогда, когда её присваивание происходит по перепаду тактового сигнала. В противном же случае она фактически является эквивалентом переменной типа wire.

Links:

• О видах присваиваний в Верилоге

clog2(N) = ceil(log2(N))

Функция $clog2(N) возвращает количество бит, необходимых для хранения N значений. Или можно считать что это количество бит адреса, для памяти размером N.

Важно, что само число N может и не влезть в полученное количество бит! Например, $clog2(8) = 3. Эти три бита позволяют хранить 8-мь значений от 0 (3'b000) до 7 (3'b111), но само число 8 требует 4 бита для представления.

Поэтому для хранения самого числа N необходимо использовать $clog2(N+1):

Прочие функции: verilog-math-functions

module CLK_Div_Period #(
  parameter CLK_PERIOD = 2
)
(
    input    clk,
    input    rst_n,

    output   o_clk
);


localparam CNT_BITS = $clog2(CLK_PERIOD+1);

reg [CNT_BITS-1:0]  count;
reg                 r_dv;

assign o_clk = r_dv;

always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
  if (~rst_n)
  begin
    count <= {CNT_BITS{1'b0}};
    r_dv <= 1'b0;
  end  
  else
  begin
    if (count == (CLK_PERIOD - 1))
    begin
      count <= {CNT_BITS{1'b0}};
      r_dv <= 1'b1;
    end
    else
    begin
      count <= count + 1'b1;
      r_dv <= 1'b0;
    end
  end
end  

endmodule

Если верить этой ссылке Stackoverflow: Adding large numbers in FPGA in one clock cycle, то асинхронная схема дает меньшее быстродействие. Потому что, входные сигналы приходят на сумматор откуда-то "издалека" (где они формируются), и выходные сигналы уходят куда-то "вдаль", туда где они используются дальше. Эти задержки распространения снижают максимальную частоту работы схемы.

В случае с синхронной логикой, результат сложения "сохраняется" в ближайший регистр. Поэтому сумматор может работать на большей частоте.

Это относится не только к сумматору, но и к любой другой коммутационной схеме.

• При перемножении беззнаковых чисел размерностью P и Q бит, результат получается размерностью P+Q бит.
• При перемножении знаковых чисел размерностью P и Q бит, результат получается размерностью P+Q-1 бит. Два старших бита получаются одинаковыми и отражают знак результата.

конвейерная обработка в ПЛИС

• По переднему фронту CLK входные сигналы защелкиваются в триггере (регистре) и становятся валидными на его выходах.
• Последующая комбинационная схема (сложение/умножение/…) должна отработать с этими выходными сигналами регистра и успеть сформировать окончательный ответ к следующему фронту CLK.
• На фронте CLK выходы комбинационной схемы защелкиваются в следующем триггере.

wire [Y_DATA_BITS-1:0] y_max = {{1'b0},{Y_DATA_BITS-1{1'b1}}};
wire [Y_DATA_BITS-1:0] y_min = {{1'b1},{Y_DATA_BITS-1{1'b0}}};