VHDL:中文版Verilog HDL簡明教程：第2章 HDL指南

2.1 模塊

　　模塊是Verilog 的基本描述單位，用于描述某個(gè)設(shè)計(jì)的功能或結(jié)構(gòu)及其與其他模塊通信的外部端口。一個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可使用開關(guān)級(jí)原語、門級(jí)原語和用戶定義的原語方式描述; 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流行為使用連續(xù)賦值語句進(jìn)行描述; 時(shí)序行為使用過程結(jié)構(gòu)描述。一個(gè)模塊可以在另一個(gè)模塊中使用。
　　一個(gè)模塊的基本語法如下：

module module_name (port_list);
Declarations:
reg, wire, parameter,
input, output, inout,
function, task, . . .
Statements:
Initial statement
Always statement
Module instantiation
Gate instantiation
UDP instantiation
Continuous assignment
endmodule

　　說明部分用于定義不同的項(xiàng)，例如模塊描述中使用的寄存器和參數(shù)。語句定義設(shè)計(jì)的功能和結(jié)構(gòu)。說明部分和語句可以散布在模塊中的任何地方；但是變量、寄存器、線網(wǎng)和參數(shù)等的說明部分必須在使用前出現(xiàn)。為了使模塊描述清晰和具有良好的可讀性, 最好將所有的說明部分放在語句前。本書中的所有實(shí)例都遵守這一規(guī)范。
　　以下為建模一個(gè)半加器電路的模塊的簡單實(shí)例。

module HalfAdder (A, B, Sum, Carry);
input A, B;
output Sum, Carry;

assign #2 Sum = A ^ B;
assign #5 Carry = A B;
endmodule

　　模塊的名字是HalfAdder。 模塊有4個(gè)端口: 兩個(gè)輸入端口A和B，兩個(gè)輸出端口Sum和Carry。由于沒有定義端口的位數(shù), 所有端口大小都為1位；同時(shí), 由于沒有各端口的數(shù)據(jù)類型說明, 這四個(gè)端口都是線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型。
模塊包含兩條描述半加器數(shù)據(jù)流行為的連續(xù)賦值語句。從這種意義上講，這些語句在模塊中出現(xiàn)的順序無關(guān)緊要，這些語句是并發(fā)的。每條語句的執(zhí)行順序依賴于發(fā)生在變量A和B上的事件。
　　在模塊中，可用下述方式描述一個(gè)設(shè)計(jì)：
　　1) 數(shù)據(jù)流方式;
　　2) 行為方式;
　　3) 結(jié)構(gòu)方式;
　　4) 上述描述方式的混合。
　　下面幾節(jié)通過實(shí)例講述這些設(shè)計(jì)描述方式。不過有必要首先對(duì)Verilog HDL的時(shí)延作簡要介紹。

2.2 時(shí)延

　　Verilog HDL模型中的所有時(shí)延都根據(jù)時(shí)間單位定義。 下面是帶時(shí)延的連續(xù)賦值語句實(shí)例。

　　assign #2 Sum = A ^ B;

#2指2個(gè)時(shí)間單位。
　　使用編譯指令將時(shí)間單位與物理時(shí)間相關(guān)聯(lián)。這樣的編譯器指令需在模塊描述前定義，如下所示:

　　` timescale 1ns /100ps

此語句說明時(shí)延時(shí)間單位為1ns并且時(shí)間精度為100ps (時(shí)間精度是指所有的時(shí)延必須被限定在0.1ns內(nèi))。 如果此編譯器指令所在的模塊包含上面的連續(xù)賦值語句, #2 代表2ns。
　　如果沒有這樣的編譯器指令, Verilog HDL 模擬器會(huì)指定一個(gè)缺省時(shí)間單位。IEEE Verilog HDL 標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定缺省時(shí)間單位。

2.3 數(shù)據(jù)流描述方式

　　用數(shù)據(jù)流描述方式對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)建模的最基本的機(jī)制就是使用連續(xù)賦值語句。在連續(xù)賦值語句中，某個(gè)值被指派給線網(wǎng)變量。 連續(xù)賦值語句的語法為:

assign [delay] LHS_net = RHS_ expression;

右邊表達(dá)式使用的操作數(shù)無論何時(shí)發(fā)生變化, 右邊表達(dá)式都重新計(jì)算, 并且在指定的時(shí)延后變化值被賦予左邊表達(dá)式的線網(wǎng)變量。時(shí)延定義了右邊表達(dá)式操作數(shù)變化與賦值給左邊表達(dá)式之間的持續(xù)時(shí)間。如果沒有定義時(shí)延值, 缺省時(shí)延為0。
下面的例子顯示了使用數(shù)據(jù)流描述方式對(duì)2-4解碼器電路的建模的實(shí)例模型。

`timescale 1ns/ 1ns
module Decoder2x4 (A, B, EN, Z);
input A, B, EN;
output [ 0 :3] Z;
wire Abar, Bbar;

assign #1 Abar = ~ A; / / 語句 1。
assign #1 Bbar = ~ B; / / 語句 2。
assign #2 Z[0] = ~ (Abar Bbar EN) ; / / 語句 3。
assign #2 Z[1] = ~ (Abar B EN) ; / / 語句 4。
assign #2 Z[2] = ~ (A Bbar EN) ; / / 語句 5。
assign #2 Z[3] = ~ (A B EN) ; / / 語句 6。
endmodule

　　以反引號(hào)“ ` ”開始的第一條語句是編譯器指令, 編譯器指令`timescale 將模塊中所有時(shí)延的單位設(shè)置為1 ns，時(shí)間精度為1 ns。例如，在連續(xù)賦值語句中時(shí)延值#1和#2分別對(duì)應(yīng)時(shí)延1 ns和2 ns。
　　模塊Decoder2x4有3個(gè)輸入端口和1個(gè)4位輸出端口。線網(wǎng)類型說明了兩個(gè)連線型變量Abar和Bbar (連線類型是線網(wǎng)類型的一種)。此外，模塊包含6個(gè)連續(xù)賦值語句。
　　當(dāng)EN在第5 ns變化時(shí),語句3、4、5和6執(zhí)行。這是因?yàn)镋N是這些連續(xù)賦值語句中右邊表達(dá)式的操作數(shù)。Z[0]在第7 ns時(shí)被賦予新值0。當(dāng)A在第15 ns變化時(shí), 語句1、5和6執(zhí)行。執(zhí)行語句5和6不影響Z[0]和Z[1]的取值。執(zhí)行語句5導(dǎo)致Z[2]值在第17 ns變?yōu)?。執(zhí)行語句1導(dǎo)致Abar在第16 ns被重新賦值。由于Abar的改變，反過來又導(dǎo)致Z[0]值在第18 ns變?yōu)?。
　　請(qǐng)注意連續(xù)賦值語句是如何對(duì)電路的數(shù)據(jù)流行為建模的；這種建模方式是隱式而非顯式的建模方式。此外,連續(xù)賦值語句是并發(fā)執(zhí)行的，也就是說各語句的執(zhí)行順序與其在描述中出現(xiàn)的順序無關(guān)。

2.4 行為描述方式

　　設(shè)計(jì)的行為功能使用下述過程語句結(jié)構(gòu)描述：
　　1) initial語句：此語句只執(zhí)行一次。
　　2) always語句：此語句總是循環(huán)執(zhí)行, 或者說此語句重復(fù)執(zhí)行。
　　只有寄存器類型數(shù)據(jù)能夠在這兩種語句中被賦值。寄存器類型數(shù)據(jù)在被賦新值前保持原有值不變。所有的初始化語句和always語句在0時(shí)刻并發(fā)執(zhí)行。
　　下例為always語句對(duì)1位全加器電路建模的示例。

module FA_Seq (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A, B, Cin;
output Sum, Cout;
reg Sum, Cout;
reg T1, T2, T3;
always
@ ( A or B or Cin ) begin
Sum = (A ^ B) ^ Cin;
T1 = A Cin;
T2 = B Cin;
T3 = A B;
Cout = (T1| T2) | T3;
end
endmodule

　　模塊FA_Seq 有三個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。由于Sum、Cout、T1、T2和T3在always 語句中被賦值,它們被說明為 reg 類型(reg 是寄存器數(shù)據(jù)類型的一種)。always 語句中有一個(gè)與事件控制(緊跟在字符@ 后面的表達(dá)式)。相關(guān)聯(lián)的順序過程(begin-end對(duì))。這意味著只要A、B或Cin 上發(fā)生事件，即A、B或Cin之一的值發(fā)生變化，順序過程就執(zhí)行。在順序過程中的語句順序執(zhí)行，并且在順序過程執(zhí)行結(jié)束后被掛起。順序過程執(zhí)行完成后， always 語句再次等待A、B或Cin上發(fā)生的事件。
　　在順序過程中出現(xiàn)的語句是過程賦值模塊化的實(shí)例。模塊化過程賦值在下一條語句執(zhí)行前完成執(zhí)行。過程賦值可以有一個(gè)可選的時(shí)延。
　　時(shí)延可以細(xì)分為兩種類型:
　　1) 語句間時(shí)延: 這是時(shí)延語句執(zhí)行的時(shí)延。
　　2) 語句內(nèi)時(shí)延: 這是右邊表達(dá)式數(shù)值計(jì)算與左邊表達(dá)式賦值間的時(shí)延。
　　下面是語句間時(shí)延的示例：

Sum = (A ^ B) ^ Cin;
#4 T1 = A Cin;

　　在第二條語句中的時(shí)延規(guī)定賦值延遲4個(gè)時(shí)間單位執(zhí)行。就是說，在第一條語句執(zhí)行后等待4個(gè)時(shí)間單位，然后執(zhí)行第二條語句。下面是語句內(nèi)時(shí)延的示例。

Sum = #3 (A^ B) ^ Cin;

　　這個(gè)賦值中的時(shí)延意味著首先計(jì)算右邊表達(dá)式的值, 等待3個(gè)時(shí)間單位，然后賦值給Sum。
　　如果在過程賦值中未定義時(shí)延，缺省值為0時(shí)延，也就是說，賦值立即發(fā)生。這種形式以及在always 語句中指定語句的其他形式將在第8章中詳細(xì)討論。
　　下面是initial語句的示例：

`timescale 1ns / 1ns
module Test (Pop, Pid);
output Pop, Pid;
reg Pop, Pid;

initial
begin
Pop = 0; // 語句 1。
Pid = 0; // 語句 2。
Pop = #5 1; // 語句 3。
Pid = #3 1; // 語句 4。
Pop = #6 0; // 語句 5。
Pid = #2 0; // 語句 6。
end
endmodule

　　initial語句包含一個(gè)順序過程。這一順序過程在0 ns時(shí)開始執(zhí)行，并且在順序過程中所有語句全部執(zhí)行完畢后, initial語句永遠(yuǎn)掛起。這一順序過程包含帶有定義語句內(nèi)時(shí)延的分組過程賦值的實(shí)例。語句1和2在0 ns時(shí)執(zhí)行。第三條語句也在0時(shí)刻執(zhí)行,導(dǎo)致Pop 在第5 ns時(shí)被賦值。語句4在第5 ns執(zhí)行,并且Pid 在第8 ns被賦值。同樣，Pop在14 ns被賦值0，Pid在第16 ns被賦值0。第6條語句執(zhí)行后，initial語句永遠(yuǎn)被掛起。
2.5 結(jié)構(gòu)化描述形式

　　在Verilog HDL中可使用如下方式描述結(jié)構(gòu):
　　1) 內(nèi)置門原語(在門級(jí))；
　　2) 開關(guān)級(jí)原語(在晶體管級(jí))；
　　3) 用戶定義的原語(在門級(jí))；
　　4) 模塊實(shí)例 (創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu))。
　　通過使用線網(wǎng)來相互連接。下面的結(jié)構(gòu)描述形式使用內(nèi)置門原語描述的全加器電路實(shí)例。

module FA_Str (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A, B, Cin;
output Sum, Cout;
wire S1, T1, T2, T3;

xor
X1 (S1, A, B),
X2 (Sum, S1, Cin);

and
A1 (T3, A, B),
A2 (T2, B, Cin),
A3 (T1, A, Cin),

or
O1 (Cout, T1, T2, T3);
endmodule

　　在這一實(shí)例中，模塊包含門的實(shí)例語句，也就是說包含內(nèi)置門xor、and和or 的實(shí)例語句。門實(shí)例由線網(wǎng)類型變量S1、T1、T2和T3互連。由于沒有指定的順序, 門實(shí)例語句可以以任何順序出現(xiàn)；圖中顯示了純結(jié)構(gòu)；xor、and和or是內(nèi)置門原語；X1、X2、A1等是實(shí)例名稱。緊跟在每個(gè)門后的信號(hào)列表是它的互連；列表中的第一個(gè)是門輸出，余下的是輸入。例如，S1與xor 門實(shí)例X1的輸出連接，而A和B與實(shí)例X1的輸入連接。
4位全加器可以使用4個(gè)1位全加器模塊描述。下面是4位全加器的結(jié)構(gòu)描述形式。

module FourBitFA (FA, FB, FCin, FSum, FCout );
parameter SIZE = 4;
input [SIZE:1] FA, FB;
output [SIZE:1] FSum
input FCin;
input FCout;
wire [ 1: SIZE－1] FTemp;
FA_Str
FA1( .A (FA[1]), .B(FB[1]), .Cin(FCin),
.Sum(FSum[1]), .Cout(FTemp[2])),
FA2( .A (FA[2]), .B(FB[2]), .Cin(FTemp[1]),
.Sum(FSum[2]), .Cout(FTemp[2])),
FA3(FA[3], FB[3], FTemp[2], FSum[3], FTemp[3],
FA4(FA[4], FB[4], FTemp[3], FSum[4], FCout);
endmodule

　　在這一實(shí)例中，模塊實(shí)例用于建模4位全加器。在模塊實(shí)例語句中，端口可以與名稱或位置關(guān)聯(lián)。前兩個(gè)實(shí)例FA1和FA2使用命名關(guān)聯(lián)方式，也就是說，端口的名稱和它連接的線網(wǎng)被顯式描述（每一個(gè)的形式都為“.port_name (net_name)）。最后兩個(gè)實(shí)例語句，實(shí)例FA3和FA4使用位置關(guān)聯(lián)方式將端口與線網(wǎng)關(guān)聯(lián)。這里關(guān)聯(lián)的順序很重要，例如，在實(shí)例FA4中，第一個(gè) FA[4]與FA_Str 的端口A連接，第二個(gè)FB[4]與FA_Str 的端口B連接，余下的由此類推。

2.6 混合設(shè)計(jì)描述方式

　　在模塊中，結(jié)構(gòu)的和行為的結(jié)構(gòu)可以自由混合。也就是說，模塊描述中可以包含實(shí)例化的門、模塊實(shí)例化語句、連續(xù)賦值語句以及always語句和 initial語句的混合。它們之間可以相互包含。來自always語句和initial語句（切記只有寄存器類型數(shù)據(jù)可以在這兩種語句中賦值）的值能夠驅(qū)動(dòng)門或開關(guān)，而來自于門或連續(xù)賦值語句（只能驅(qū)動(dòng)線網(wǎng)）的值能夠反過來用于觸發(fā)always語句和initial語句。
　　下面是混合設(shè)計(jì)方式的1位全加器實(shí)例。

module FA_Mix (A, B, Cin, Sum, Cout);
input A,B, Cin;
output Sum, Cout;
reg Cout;
reg T1, T2, T3;
wire S1;

xor X1(S1, A, B); // 門實(shí)例語句。

always
@ ( A or B or Cin ) begin // always 語句。
T1 = A Cin;
T2 = B Cin;
T3 = A B;
Cout = (T1| T2) | T3;
end

assign Sum = S1 ^ Cin; // 連續(xù)賦值語句。
endmodule

　　只要A或B上有事件發(fā)生，門實(shí)例語句即被執(zhí)行。只要A、B或Cin上有事件發(fā)生，就執(zhí)行always 語句，并且只要S1或Cin上有事件發(fā)生，就執(zhí)行連續(xù)賦值語句。

2.7 設(shè)計(jì)模擬

　　Verilog HDL不僅提供描述設(shè)計(jì)的能力，而且提供對(duì)激勵(lì)、控制、存儲(chǔ)響應(yīng)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證的建模能力。激勵(lì)和控制可用初始化語句產(chǎn)生。驗(yàn)證運(yùn)行過程中的響應(yīng)可以作為“變化時(shí)保存”或作為選通的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。最后，設(shè)計(jì)驗(yàn)證可以通過在初始化語句中寫入相應(yīng)的語句自動(dòng)與期望的響應(yīng)值比較完成。
下面是測試模塊Top的例子。該例子測試2.3節(jié)中講到的FA_Seq模塊。

‘timescale 1ns/1ns
module Top; // 一個(gè)模塊可以有一個(gè)空的端口列表。
reg PA, PB, PCi;
wire PCo, PSum;

// 正在測試的實(shí)例化模塊：
FA_Seq F1(PA, PB, PCi, PSum, PCo); // 定位。

initial
begin: ONLY_ONCE
reg [3:0] Pal;
//需要4位, Pal才能取值8。

for (Pal = 0; Pal 8; Pal = Pal + 1)
begin
{PA, PB, PCi} = Pal;
#5 $display (“PA, PB, PCi = %b%b%b”, PA, PB, PCi,
“ : : : PCo, PSum=%b%b”, PCo, PSum);
end
end
endmodule

　　在測試模塊描述中使用位置關(guān)聯(lián)方式將模塊實(shí)例語句中的信號(hào)與模塊中的端口相連接。也就是說，PA連接到模塊FA_Seq的端口A，PB連接到模塊 FA_Seq的端口B，依此類推。注意初始化語句中使用了一個(gè)for循環(huán)語句，在PA、PB和PCi上產(chǎn)生波形。for 循環(huán)中的第一條賦值語句用于表示合并的目標(biāo)。自右向左，右端各相應(yīng)的位賦給左端的參數(shù)。初始化語句還包含有一個(gè)預(yù)先定義好的系統(tǒng)任務(wù)。系統(tǒng)任務(wù)$ display將輸入以特定的格式打印輸出。
　　系統(tǒng)任務(wù)$display調(diào)用中的時(shí)延控制規(guī)定$display任務(wù)在5個(gè)時(shí)間單位后執(zhí)行。這5個(gè)時(shí)間單位基本上代表了邏輯處理時(shí)間。即是輸入向量的加載至觀察到模塊在測試條件下輸出之間的延遲時(shí)間。
　　這一模型中還有另外一個(gè)細(xì)微差別。Pal在初始化語句內(nèi)被局部定義。為完成這一功能，初始化語句中的順序過程（begin-end）必須標(biāo)記。在這種情況下, ONLY_ONCE是順序過程標(biāo)記。如果在順序過程內(nèi)沒有局部聲明的變量，就不需要該標(biāo)記。下面是測試模塊產(chǎn)生的輸出。

PA, PB, PCi = 000 ::: PCo, PSum = 00
PA, PB, PCi = 001 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 010 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 011 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 100 ::: PCo, PSum = 01
PA, PB, PCi = 101 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 110 ::: PCo, PSum = 10
PA, PB, PCi = 111 ::: PCo, PSum = 11

　　驗(yàn)證與非門交叉連接構(gòu)成的RS_FF模塊的測試模塊如下例所示。

`timescale 10ns/1ns
module RS_FF (Q, Qbar, R, S);
output Q, Qbar;
input R, S;

nand #1 (Q, R, Qbar);
nand #1 (Qbar, S, Q,);
//在門實(shí)例語句中，實(shí)例名稱是可選的。
endmodule

module Test;
reg TS, TR;
wire TQ, TQb;

//測試模塊的實(shí)例語句：
RS_FF NSTA (.Q(TQ), .S(TS), .R(TR), .Qbar(TQb));
//采用端口名相關(guān)聯(lián)的連接方式。

// 加載激勵(lì)：
initial
begin:
TR = 0;
TS = 0;
#5 TS = 1;
#5 TS = 0;
TR = 1;
#5 TS = 1;
TR = 0;
#5 TS = 0;
#5 TR = 1;
end
//輸出顯示：
initial
$monitor (At time %t , , $time,
TR = %b, TS=%b, TQ=%b, TQb= %b, TR, TS, TQ, TQb);
endmodule

　　RS_FF模塊描述了設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。在門實(shí)例語句中使用門時(shí)延；例如，第一個(gè)實(shí)例語句中的門時(shí)延為1個(gè)時(shí)間單位。該門時(shí)延意味著如果R或Qbar假定在T時(shí)刻變化，Q將在T+1時(shí)刻獲得計(jì)算結(jié)果值。
　　模塊Test是一個(gè)測試模塊。測試模塊中的RS_FF用實(shí)例語句說明其端口用端口名關(guān)聯(lián)方式連接。在這一模塊中有兩條初始化語句。第一個(gè)初始化語句只簡單地產(chǎn)生TS和TR上的波形。這一初始化語句包含帶有語句間時(shí)延的程序塊過程賦值語句。
　　第二條初始化語句調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)$monitor。這一系統(tǒng)任務(wù)調(diào)用的功能是只要參數(shù)表中指定的變量值發(fā)生變化就打印指定的字符串。下面是測試模塊產(chǎn)生的輸出。請(qǐng)注意`timescale指令在時(shí)延上的影響。

At time 0, TR=0, TS=0, TQ=x, TQb= x
At time 10, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 50, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 1
At time 60, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 0
At time 100, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 0
At time 110, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 120, TR=1, TS=0, TQ=0, TQb= 1
At time 150, TR=0, TS=1, TQ=0, TQb= 1
At time 160, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 1
At time 170, TR=0, TS=1, TQ=1, TQb= 0
At time 200, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 0

At time 210, TR=0, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 250, TR=1, TS=0, TQ=1, TQb= 1
At time 260, TR=1, TS=0, TQ=0, TQb= 1

　　后面的章節(jié)將更詳細(xì)地講述這些主題。

習(xí)題

1. 在數(shù)據(jù)流描述方式中使用什么語句描述一個(gè)設(shè)計(jì)？
2. 使用`timescale 編譯器指令的目的是什么？舉出一個(gè)實(shí)例。
3. 在過程賦值語句中可以定義哪兩種時(shí)延？請(qǐng)舉例詳細(xì)說明。
4. initial語句與always 語句的關(guān)鍵區(qū)別是什么？
5. 為2.3節(jié)中描述的模塊Decode2x4編寫一個(gè)測試驗(yàn)證程序。
6. 列出你在Verilog HDL模型中使用的兩類賦值語句。
7. 在順序過程中何時(shí)需要定義標(biāo)記？
8. 找出下面連續(xù)賦值語句的錯(cuò)誤。
assign Reset = #2 ^ WriteBus;