結(jié) 構(gòu) 建 模

本章講述Verilog HDL中的結(jié)構(gòu)建模方式。結(jié)構(gòu)建模方式用以下三種實(shí)例語句描述：

? Gate實(shí)例語句

? UDP實(shí)例語句

? Module實(shí)例語句

第5章和第6章已經(jīng)討論了門級建模方式和U D P建模方式，本章講述模塊實(shí)例語句。

9.1 模塊

Verilog HDL中，基本單元定義成模塊形式，如下所示 ：

m o d u l e m o d u l e _ n a m e（p o r t _ l i s t） ;

D e c l a r a t i o n s _ a n d _ S t a t e m e n t s

e n d m o d u l e

端口隊(duì)列p o rt _ l i s t列出了該模塊通過哪些端口與外部模塊通信。

9.2 端口

模塊的端口可以是輸入端口、輸出端口或雙向端口。缺省的端口類型為線網(wǎng)類型（即wire類型）。但是，端口可被顯式地指定為線網(wǎng)。輸出或輸入輸出端口能夠被重新聲明為reg型寄存器。無論是在線網(wǎng)說明還是寄存器說明中，線網(wǎng)或寄存器必須與端口說明中指定的長度相同。下面是一些端口說明實(shí)例。

m o d u l e M i c r o （PC， Instr， NextAddr ）;

/ /端口說明

i n p u t ［3:1］ P C;

o u t p u t ［1:8］ I n s t r;

i n o u t ［16:1］ N e x t A d d r;

/ /重新說明端口類型：

w i r e ［16:1］ N e x t A d d r; //該說明是可選的，但如果指定了，就必須與它的端口說明保持相同長度。

r e g ［1:8］ I n s t r;

/ /I n s t r已被重新說明為r e g類型，因此它能在always 語句或在i n i t i a l語句中賦值。

。 . 。

e n d m o d u l e

9.3 模塊實(shí)例語句

一個模塊能夠在另外一個模塊中被引用，這樣就建立了描述的層次。模塊實(shí)例語句形式

如下：

module_name instance_name （p o r t _ a s s o c i a t i o n s） ;

信號端口可以通過位置或名稱關(guān)聯(lián)；但是關(guān)聯(lián)方式不能夠混合使用。端口關(guān)聯(lián)形式如下：

p o r t _ e x p r / /通過位置。

.P o r t N a m e （p o r t _ e x p r） / /通過名稱。

p o rt _ e x p r可以是以下的任何類型：

1） 標(biāo)識符（r e g或n e t）

2） 位選擇

3） 部分選擇

4） 上述類型的合并

5） 表達(dá)式（只適用于輸入端口）

在位置關(guān)聯(lián)中，端口表達(dá)式按指定的順序與模塊中的端口關(guān)聯(lián)。在通過名稱實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)中，模塊端口和端口表達(dá)式的關(guān)聯(lián)被顯式地指定，因此端口的關(guān)聯(lián)順序并不重要。下例使用兩個半加器模塊構(gòu)造全加器；邏輯圖如圖 9 - 1所示。

在第一個模塊實(shí)例語句中， H A是模塊的名字 ，h 1是實(shí)例名稱，并且端口按位置關(guān)聯(lián)，即

信號P與模塊（H A）的端口A連接，信號Q與端口B連接，S 1與S連接，C 1與模塊端口C連接。在第二個實(shí)例中，端口按名稱關(guān)聯(lián)，即模塊（ H A）和端口表達(dá)式間的連接是顯示地定義

的。下例是使用不同端口表達(dá)式形式的模塊實(shí)例語句。

Micro M1 （U d I n［3:0］， {WrN， RdN}， S t a t u s［0］， S t a t u s［ 1 ］ ，

& U d O u t ［0:7］， T x D a t a） ;

這個實(shí)例語句表示端口表達(dá)式可以是標(biāo)識符（ T x D a t a）、位選擇（S t a t u s［ 0 ］） 、 部分位選擇（U d I n［ 3 ： 0 ］）、合并（{Wr N，R d N}）或一個表達(dá)式（& u d O u t［ 0 ： 7 ］）；表達(dá)式只能夠連接到輸入端口。

9.3.1 懸空端口

在實(shí)例語句中，懸空端口可通過將端口表達(dá)式表示為空白來指定為懸空端口，例如：

DFF d1 （ .Q（Q S）， .Q b a r（）， .D a t a（ D ） ，

.P r e s e t（）， .C l o c k（CK））; //名稱對應(yīng)方式。

DFF d2 （QS， ， D， ， CK ） ; / /位置對應(yīng)方式。

/ /輸出端口Q b a r懸空。

/ /輸入端口P r e s e t打開，其值設(shè)定為z。

在這兩個實(shí)例語句中，端口Q b a r和P re s e t懸空。

模塊的輸入端懸空，值為高阻態(tài)z。模塊的輸出端口懸空，表示該輸出端口廢棄不用。

9.3.2 不同的端口長度

當(dāng)端口和局部端口表達(dá)式的長度不同時，端口通過無符號數(shù)的右對齊或截?cái)喾绞竭M(jìn)行匹

配。例如：

在對C h i l d模塊的實(shí)例中， B d l［ 2 ］連接到P b a［ 0 ］，B d l［1］ 連接到P b a［ 1 ］，余下的輸入端口P b a［ 5 ］、P b a［ 4 ］和P b a［ 3 ］懸空，因此為高阻態(tài) z。與之相似，M p r［ 6 ］連接到P p y［ 0 ］，M p r［ 5 ］連接到P p y［ 1 ］，M p r［4］ 連接到P p y［ 2 ］。參見圖9 - 2。

9.3.3 模塊參數(shù)值

當(dāng)某個模塊在另一個模塊內(nèi)被引用時，高層模塊能夠改變低層模塊的參數(shù)值。模塊參數(shù)值的改變可采用下述兩種方式：

1） 參數(shù)定義語句（d e f p a r a m）；

2） 帶參數(shù)值的模塊引用。

1. 參數(shù)定義語句

參數(shù)定義語句形式如下：

d e f p a r a m hier_path_name1 = v a l u e 1，

hier_path_name2 = v a l u e 2， 。..;

較低層模塊中的層次路徑名參數(shù)可以使用如下語句顯式定義（層次路徑名在下一章中講述）。下面是一個例。模塊FA和H A已在本節(jié)前面描述過。

2. 帶參數(shù)值的模塊引用

在這種方法中，模塊實(shí)例語句自身包含有新的參數(shù)值。下面的例子在前幾節(jié)中也出現(xiàn)過，本例中采用帶參數(shù)的模塊引用方式。

模塊實(shí)例語句中參數(shù)值的順序必須與較低層被引用的模塊中說明的參數(shù)順序匹配。在模塊TO P 3中，A N D _ D E L AY已被設(shè)置為5，X O R _ D E L AY已被設(shè)置為2。

模塊TO P 3和TO P 4解釋說明了帶參數(shù)的模塊引用只能用于將參數(shù)值向下傳遞一個層次（例如，O R _ D E L AY），但是參數(shù)定義語句能夠用于替換層次中任意一層的參數(shù)值。

應(yīng)注意到：在帶參數(shù)的模塊引用中，參數(shù)的指定方式與門級實(shí)例語句中時延的定義方式相似；但由于對復(fù)雜模塊的引用時，其實(shí)例語句不能像對門實(shí)例語句那樣指定時延，故此處不會導(dǎo)致混淆。參數(shù)值還可以表示長度。下面是通用的 M×N乘法器建模的實(shí)例。

第1個值8指定了參數(shù)E M的新值，第2個值6指定了參數(shù)E N的新值。

9.4 外部端口

在迄今為止所見到的模塊定義中，端口表列舉出了模塊外部可見的端口。例如，

A r b、C t r l、M e m _ B l k和B y t e為模塊端口。這些端口同時也是外部端口，即在實(shí)例中，當(dāng)采用名稱關(guān)聯(lián)方式時，外部端口名稱用于指定相互連接。下面是模塊 S c r a m _ A的實(shí)例。

Scram_A SX（ .B y t e（B 1） ， .M e m _ B l k（M 1） ， .C t r l（C 1） ， .A r b（A 1） ） ;

在模塊S c r a m _ A中，外部端口名稱隱式地指定。Verilog HDL中提供顯式方式指定外部端

口名稱。這可以通過按如下形式指定一個端口來完成：

.e x t e r n a l _ p o r t _ n a m e（i n t e r n a l _ p o r t _ n a m e）

下面是同一個例子，只不過是顯式地指定外部端口。

模塊S c r a m _ B在此實(shí)例中指定的外部端口是 D a t a、C o n t ro l、M e m _ Wo rd和A d d r。端口表顯式地表明了外部端口和內(nèi)部端口之間的連接。注意外部端口無需聲明，但是模塊的內(nèi)部端口卻必須聲明。外部端口在模塊內(nèi)不可見，但是卻要在模塊實(shí)例語句中使用，而內(nèi)部端口因?yàn)樵谀K中可見，所以必須在模塊中說明。在模塊實(shí)例語句中，外部端口的使用如下所示：

Scram_B S1 （ .A d d r（A 1） ， .D a t a（D 1） ， .C o n t r o l（C 1） ，

.M e m _ W o r d（M 1） ） ;

在模塊定義的端口表中，這兩種概念不能混淆，即在模塊定義中所有端口必須指定顯式的端口名稱，或者沒有一個端口帶有顯式的端口名稱。如果模塊端口通過位置連接，則模塊實(shí)例語句中不能使用外部端口名稱。

內(nèi)部端口名稱可以是標(biāo)識符，也可以是下述類型的表達(dá)式：

? 位選擇；

? 部分選擇；

? 位選擇、部分選擇和標(biāo)識符的合并。

例如，

在S c r a m _ C的模塊定義中，端口表包括部分選擇（ A r b［ 0 ： 2 ］）、標(biāo)識符（ C t r l）、合并（{M e m _ B l k［ 0 ］，M e m _ B l k［ 1 ］ } ）和位選擇（B y t e［ 3 ］）。在內(nèi)部端口是位選擇、部分選擇或合并的情況下，沒有隱式地指定外部端口名。因此，在這樣的模塊實(shí)例語句中，模塊端口必須通過位置關(guān)聯(lián)相互連接。例如，

Scram_C SYA （L 1［ 4 ： 6 ］ ，C L ， M M Y［ 1 ： 0 ］ ，B T） ;

在這個實(shí)例語句中，端口通過位置關(guān)聯(lián)相連接，因此 L 1［ 4∶6 ］連接到A r b［ 0∶2 ］，C L連接

到C t r l，M M Y［ 1 ］連接到M e m _ B l k［ 0 ］ ，M M Y［ 0 ］連接到M e m _ B l k［ 1 ］，B T連接到B y t e［ 3 ］。

若使用端口名稱關(guān)聯(lián)（即當(dāng)內(nèi)部端口不是標(biāo)識符時），必須對模塊中的端口指定外部端口名。如下面的S c r a m _ D模塊定義所示。

在S c r a m _ D模塊實(shí)例語句中，端口既能夠使用位置連接，也能夠使用名稱連接，但是不能混合使用。下例的模塊實(shí)例語句端口通過名稱連接。

Scram_D SZ （ .D a t a（L 1［ 4 ： 6 ］ ， .C o n t r o l（C L） ，

.M e m _ W o r d（M M Y［ 1 ： 0 ］，.A d d r（B T） ） ;

模塊中可以只有外部端口而沒有內(nèi)部端口。即模塊在引用中其外部端口可以懸空，不與內(nèi)部信號相連。例如：

模塊S c r a m _ E 有兩個外部端口D a t a和A d d r，這兩個端口在使用時被懸空。

一個內(nèi)部端口是否能與多個外部端口連接？Verilog HDL允許這樣連接。例如，

內(nèi)部端口C o n d O u t 與兩個外部端口B和C連接，所以C o n d O u t的值在B和C上都出現(xiàn)。

9.5 舉例

下例采用結(jié)構(gòu)模型描述十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯圖如圖 9 - 3所示。

注意常數(shù)作為輸入端口信號的用法，以及懸空端口。

下面是另一個例子，3位可逆計(jì)數(shù)器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖9 - 4所示，其結(jié)構(gòu)描述如下：

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