硬件描述语言Verilog HDL学习笔记之模块介绍

前言

        其实很早以前我就学习过一段时间Verilog语言，但是由于一些语言搁置了很久，最近重新捡起来，发现以前还是走了很多弯路的。首先是学习这门语言的软硬件基础问题，现在回忆当初学习的时候，其实很多有关软硬件我在现在看来很常见的知识，我是真不知道。而如今在我看来，学习这们语言之前，对于计算机专业的学生，数电和计算机组成原理的学习是很有必要，真的很重要，在学习这两门课程后，才能对计算机有一个总体的架构。同样，还需要学习一些单片机方面的知识。

一、模块介绍

        模块（module）是 Verilog 的基本描述单位，是用于描述某个设计的功能或结构及与其他模块 通信的外部端口。

        模块在概念上可等同一个器件，就如调用通用器件（与门、三态门等）或通用宏单元（计数器、 ALU、CPU）等。因此，一个模块可在另一个模块中调用，一个电路设计可由多个模块组合而成。一 个模块的设计只是一个系统设计中的某个层次设计，模块设计可采用多种建模方式。 Verilog 的基本设计单元是“模块”。采用模块化的设计使系统看起来更有条理也便于仿真和测试， 因此整个项目的设计思想就是模块套模块，自顶向下依次展开。在一个工程的设计里，每个模块实现 特定的功能，模块间可进行层次的嵌套。对大型的数字电路进行设计时，可以将其分割成大小不一的 小模块，每个小模块实现特定的功能，最后通过由顶层模块调用子模块的方式来实现整体功能，这就 是 Top-Down 的设计思想。模块是 Verilog 的基本描述单位， 用于描述每个设计的功能和结构，以及其他模块通信的外部接口。

        模块有五个主要部分：端口定义、参数定义（可选）、 I/O 说明、内部信号声明、功能定义。 模块总是以关键词 module 开始，以关键词 endmodule 结尾。

//端口定义
module module_name
(   clk , //端口 1，时钟 
    rst_n , //端口 2，复位 
    dout //其他信号,如 dout 
);

//参数定义(可选)
parameter DATA_W = 8; 

//I/O说明
input clk ; //输入信号定义 
input rst_n ; //输入信号定义 
output[DATA_W-1:0] dout; //输出信号定义 

//信号说明
reg [DATA_W-1:0] dout; //信号类型 (reg、wire)定义 
reg signal1;//信号类型 (reg、wire)定义 

//功能定义
//……………以下为描述功能部分…………// 
//组合逻辑写法
[email protected](*)begin 
    end 
//时序逻辑写法 
[email protected](posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(rst_n==1'b0)begin 
        end 
    else begin 
        end 
    end 
endmodule

        下面详细分析一下这段代码：

二、模块名和端口定义

        第 2 至 6 行声明了模块的名字和输入输出口。其格式如下：

        module 模块名(端口 1，端口 2，端口 3，……)；

        其中模块是以 module 开始，以 endmodule 结束。模块名是模块唯一的标识符，一般建议模块名 尽量用能够描述其功能的名字来命名，并且模块名和文件名相同。

        模块的端口表示的是模块的输入和输出口名，也是其与其他模块联系端口的标识。

三、参数定义

        第 9 行参数定义是将常量用符号代替以增加代码可读性和可修改性。这是一个可选择的语句， 用不到的情况下可以省略，参数定义一般格式如下：

        parameter DATA_W = x;

四、接口定义

        第 12 至 14 行是 I/O（输入/输出）说明，模块的端口可以是输入端口、输出端口或双向端口。其说明格式如下。

        输入端口：         input [信号位宽-1 ： 0] 端口名 1；

                                  input [信号位宽-1 ： 0] 端口名 2；

                                   ……;

        输出端口：          output [信号位宽-1 ： 0] 端口名 1；

                                   output [信号位宽-1 ： 0] 端口名 2；

                                    ……;

        双向端口：           inout [信号位宽-1 ： 0] 端口名 1；

                                    inout [信号位宽-1 ： 0] 端口名 2；

                                     ……;

五、信号类型

        第 17 至 18 行定义了信号的类型。这些信号是在模块内使用到的信号，并且与端口有关的 wire 和 reg 类型变量。其声明方式如下：

        reg [width-1 : 0] R 变量 1， R 变量 2 ……；

        wire [width-1 : 0] W 变量 1，W 变量 2……；

        如果没有定义信号类型，默认是 wire 型，并且信号位宽为 1。

六、功能描述

        第 23 至 32 行是功能描述部分。模块中最重要的部分是逻辑功能定义部分，有三种方法可在模块中产生逻辑。

        1. 用“assign”声明语句，如描述一个两输入与门：assign a = b & c。下次仔细写一下。

         2. 用“always”块。即前面介绍的时序逻辑和组合逻辑。

        3. 模块例化。详细功能见下文“模块例化”。

七、模块例化

         对数字系统的设计一般采用的是自顶向下的设计方式，可将系统划分成几个功能模块，每个功能 模块再划分成下一层的子模块。每个模块的设计对应一个 module ，每个 module 设计成一个 Verilo g HDL 程序文件。因此，对一个系统的顶层模块采用结构化设计，即顶层模块分别调用了各个功能 模块。

        一个模块能够在另外一个模块中被引用，这样就建立了描述的层次。模块实例化语句形式如下：

module_nameinstance_name(port_associations);

        信号端口可以通过位置或名称关联，但是关联方式不能够混合使用。端口关联形式如下：        

        port_expr / /通过位置。 
        .PortName (port_expr) / /通过名称。

module and (C, A, B);
input A，B; 
output C; 
//省略 
endmodule 
//在下面的“and_2”块中对上一模块“and”进行例化，可以有两种方式： 
module and_2(xxxxx) 
... 
//方式一：实例化时采用位置关联，T3 对应输出端口 C，A 对应 A，B 对应 B。 
and A1 (T3, A, B ); 
//方式二：实例化时采用名字关联，.C 是 and 器件的端口，其与信号 T3 相连 
and A2(
.C(T3),
.A(A)， 
.B(B)); 
…
endmodule;

        建议：在例化的端口映射中请采用名字关联，这样，当被调用的模块管脚改变时不易出错。 在实例化中，可能有些管脚没用到，可在映射中采用空白处理，如：

DFF d1 （
    .Q(QS), 
    .Qbar (), // 该管脚悬空 
    .Data (D ), 
    .Preset (), // 该管脚悬空 
    .Clock (CK)); //名称对应方式。

         输入管脚悬空端口的输入为高阻 Z，由于输出管脚是被悬空的，该输出管脚废弃不用。