在FPGA設計中，組合邏輯的使用確實需要謹慎，尤其是要盡量減少它的復雜性。這并不是因為組合邏輯本身不好，而是因為它在實際應用中容易引發一系列問題，而這些問題往往與FPGA的設計哲學和硬件特性相沖突。讓我從幾個關鍵點來和你聊聊這件事。

組合邏輯的即時性，是一把雙刃劍
組合邏輯的最大特點是即時性——它的輸出完全由當前輸入決定，沒有存儲功能。這種特性讓它在某些場景下非常高效，比如簡單的邏輯判斷或者快速的數據處理。但問題在于，這種即時性也意味著它的輸出完全依賴于信號的傳播路徑和延遲。FPGA的硬件結構決定了信號的傳播時間是不可控的，它受制于布線延遲、邏輯單元的處理時間等因素。而這些延遲在設計完成后可能會因為環境變化（比如溫度、電壓波動）而發生微小變化。
這就導致了一個很棘手的問題：組合邏輯的行為可能變得不可預測。尤其是在復雜的組合邏輯路徑中，延遲的累積效應會讓信號的穩定性大打折扣。更糟糕的是，組合邏輯環路（Combinational Loops）會進一步放大這種不確定性。比如，一個輸出信號通過組合邏輯反饋到輸入節點，形成閉環。這種設計在理論上可能看起來沒問題，但在實際運行中，它可能會因為延遲的變化而進入振蕩狀態，導致整個系統崩潰。EDA工具雖然可以識別并切割這些環路，但切割方式可能與設計初衷不符，最終破壞邏輯功能。

復雜的組合邏輯，是資源的“黑洞”
FPGA的硬件資源并不是無限的，它的核心是LUT（查找表）和寄存器。LUT的結構決定了它只能處理有限的輸入組合邏輯。如果組合邏輯過于復雜，可能需要多個LUT級聯，這不僅增加了資源消耗，還延長了信號的傳播路徑，進一步加劇了延遲問題。
舉個例子，假設你設計了一個復雜的組合邏輯電路，它需要處理多個輸入信號的復雜運算。為了實現這個功能，FPGA可能需要調用多個LUT，并通過布線將它們連接起來。這種設計雖然在理論上可行，但在實際中會導致資源利用率低下，同時信號的傳播延遲也會顯著增加。而這些延遲的累積效應，最終會讓整個系統變得不穩定。

時序分析的“噩夢”
組合邏輯的另一個問題是，它讓時序分析變得異常復雜。時序分析是FPGA設計中不可或缺的一環，它用于驗證信號是否能在規定時間內到達目標位置。然而，組合邏輯的路徑延遲是動態的，且受制于硬件實現細節。這種不確定性讓時序分析變得非常困難，甚至可能導致EDA工具無法完成分析。
相比之下，時序邏輯通過引入寄存器，將信號的傳播分段處理，從而降低了路徑延遲，并使得時序分析更加可控。這也是為什么在復雜設計中，時序邏輯往往更受歡迎。它的分段處理方式不僅提高了系統的穩定性，還讓設計更容易被工具分析和優化。

組合邏輯的即時性，違背了FPGA的設計哲學
FPGA的設計哲學是通過寄存器和時序邏輯實現穩定、可預測的數字系統。組合邏輯雖然靈活，但它的即時性和不確定性與這種哲學相沖突。尤其是在需要高穩定性和高可預測性的場景中，比如高速信號處理、實時控制等，組合邏輯的使用需要非常謹慎。
一個典型的例子是流水線設計。通過在組合邏輯中插入寄存器，可以將復雜的邏輯路徑分解為多個階段，從而降低每個階段的延遲，提高系統的整體性能。這種方法不僅解決了組合邏輯深度過大帶來的延遲問題，還使得設計更加符合同步設計原則。

設計的本質，是平衡與取舍
從更深層次來看，組合邏輯的使用問題反映了設計中的一個核心矛盾：即時性與穩定性的權衡。組合邏輯的即時性雖然帶來了速度上的優勢，但也引入了不確定性和潛在的不穩定性。而時序邏輯通過引入寄存器，犧牲了一部分速度，卻換來了更高的穩定性和可預測性。
在FPGA設計中，我們需要在速度、資源利用率和穩定性之間找到一個平衡點。這種平衡并不是固定的，而是隨著應用場景的不同而變化。比如，在對速度要求極高的場景中，組合邏輯可能仍然是最優選擇；但在對穩定性要求更高的場景中，時序邏輯則是更好的選擇。
總結
所以，為什么FPGA設計中要少用組合邏輯？并不是因為它不好，而是因為它在復雜場景中容易引發一系列問題，比如資源消耗過大、設計不穩定、時序分析復雜等。而這些問題，恰恰違背了FPGA設計的核心目標——高效、穩定、可預測。
但我也想說，組合邏輯并非一無是處。**它在某些場景下仍然是不可或缺的，比如簡單的邏輯判斷或者快速的數據處理。關鍵在于，我們要清楚它的優缺點，并根據具體需求做出合理的選擇。**設計的本質，從來都是在矛盾中找到平衡，而這正是FPGA設計的魅力所在。