《Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計-原理、實例及仿真》課件第5章

第5章結(jié)構(gòu)級建模方法5.1VerilogHDL內(nèi)置基元5.2用戶定義原語(UDP)5.3模塊的調(diào)用5.4行為描述和結(jié)構(gòu)描述的混合使用

5.1VerilogHDL內(nèi)置基元

VerilogHDL提供了26個內(nèi)置基元，用于對數(shù)字系統(tǒng)實際的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。這些基元包括基本門電路、上拉電阻、下拉電阻、MOS開關(guān)和雙向開關(guān)。這26個基元可以再分類如下：

(1)多輸入門：and、nand、or、nor、xor、xnor。

(2)多輸出門：buf、not。

(3)三態(tài)門：bufif0、bufif1、notif0、notif1。

(4)上拉、下拉電阻：pullup、pulldown。

(5)?MOS開關(guān)：cmos、nmos、pmos、rcmos、rnmos、rpmos。

(6)雙向開關(guān)：tran、tranif0、tranif1、rtran、rtranif0、rtranif1。這些基元調(diào)用語句的語法格式如下：

<門的類型>[<驅(qū)動能力><延時>]<例化的門名字>(<端口列表>);

其中，“門的類型”是門聲明語句所必需的，它可以是26個基元中的任意一種。“驅(qū)動能力”和“延時”是可選項，可根據(jù)不同的情況選不同的值或不選?！袄拈T名字”是在本模塊中引用的這種類型的門的實例名。<端口列表>按(輸出，輸入1，輸入2，…)順序列出。下面是門類型的引用:

nand#10nd1(a,data,clock,clear);

該語句中引用了一個名為nd1的與非門(nand)，其輸入為data、clock和clear，輸出為a，輸出與輸入的延時為10個單位時間。5.1.1基本門

1．多輸入門

多輸入門具有1個或多個輸入，但只有一個輸出。內(nèi)置的多輸入門有6種：and(與門)、nand(與非門)、or(或門)、nor(或非門)、xor(異或門)、xnor(異或非門)。

多輸入門實例化語句的語法格式如下：

gate_typeinstance_name(output,input1,…,inputN);圖5.1多輸入門的輸入/輸出關(guān)系

1)與門(and)

圖5.2和表5.1所示為與門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

andU1(out1,a,b,c,d);

/*與門U1，輸出為out1，有4個輸入a、b、c、d*/圖5.2與門的邏輯符號

2)與非門(nand)

圖5.3和表5.2所示為與非門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

nandU2(sum,a,b,c);

/*與非門U2，輸出為sum，帶有3個輸入a、b、c*/圖5.3與非門的邏輯符號

3)或門(or)

圖5.4和表5.3所示為或門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

orU3(out,in1,in2)，U4(out1,a,b,c);

/*或門U3、U4(同類門實例引用簡化方式)*/圖5.4或門的邏輯符號

4)或非門(nor)

圖5.5和表5.4所示為或非門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

norU5(out,in1,in2)；

norU6(out1,out,b,c);

//U5輸出out信號連接到U6的輸入端口圖5.5或非門的邏輯符號表5.4或非門的邏輯表

5)異或門(xor)

圖5.6和表5.5所示為異或門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

xorU7(out,in1,in2)；

xorU8(out1,out,in1,c);

//in1信號連接到U7、U8的輸入端口圖5.6異或門的邏輯符號表5.5異或門的邏輯表

6)異或非門(xnor)

圖5.7和表5.6所示為異或非門的邏輯符號和邏輯表。

例如：

xnorU11(out,in1,in2)；

xnor(out1,out,b,c);//沒有實例名圖5.7異或非門的邏輯符號表5.6異或非門的邏輯表

2．多輸出門

多輸出門具有一個輸入、一個或多個輸出。內(nèi)置的多輸出門有兩種：buf(緩沖門)和not(非門)。

多輸出門實例語句的語法格式如下：

gate_typeinstance_name(output1,…,outputN,input);

其中，gate_type為門類型，是上述的兩種多輸出門之一；instance_name是這個實例門的名稱；端口output1,…,outputN是輸出端，最后一個端口input是輸入端。多輸出門的形式如圖5.8所示。圖5.8多輸出門圖5.9和表5.7為多輸出門的邏輯符號和邏輯表。圖5.9多輸出門的邏輯符號

3．三態(tài)門

三態(tài)門用于對三態(tài)驅(qū)動器建模，共有3個端口：一個數(shù)據(jù)輸入端、一個控制信號輸入端和一個數(shù)據(jù)輸出端。內(nèi)置的三態(tài)門有4種：bufif1(高有效三態(tài)門)、bufif0(低有效三態(tài)門)、notif1(高有效三態(tài)非門)、notif0(低有效三態(tài)非門)。

三態(tài)門實例語句的語法格式如下：

gate_typeinstance_name(output,input,control);

其中，gate_type為門類型，是上述的4種三態(tài)門之一；instance_name是這個實例門的名稱；第一個端口output是輸出端，第二個端口input是輸入端，第三個端口control是控制信號輸入端。

圖5.10所示為三態(tài)門的邏輯符號。圖5.10三態(tài)門的邏輯符號表5.8～表5.11所示分別為四種三態(tài)門的邏輯表。表中的某些項是可選的。例如，0/z表明根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的信號強(qiáng)度和控制信號的值，輸出既可以為0也可以為z。例如：5.1.2上拉、下拉電阻

上拉電阻和下拉電阻是一類只有一個端口(輸出端)的器件模型，其作用是改變其輸出端的值。上拉電阻將輸出置為1，下拉電阻將輸出置為0。

聲明上拉電阻和下拉電阻的關(guān)鍵字是：pullup(上拉電阻)、pulldown(下拉電阻)。

上拉、下拉電阻的語法形式如下：

pull_type[instance_name](output);

其中，pull_type是pullup或pulldown；可選項instance_name是實例名；output是唯一的輸出端口。5.1.3MOS開關(guān)

VerilogHDL具有對MOS晶體管級進(jìn)行設(shè)計的能力。隨著電路復(fù)雜性的增加(上百萬的晶體管)及先進(jìn)CAD工具的出現(xiàn)，以開關(guān)級為基礎(chǔ)進(jìn)行的設(shè)計正在逐漸萎縮。VerilogHDL目前僅提供用邏輯值0、1、x、z和與它們相關(guān)的驅(qū)動強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字設(shè)計的能力，沒有模擬設(shè)計能力。因此在VerilogHDL中，晶體管也僅被當(dāng)作導(dǎo)通或者截止的開關(guān)。MOS模型在仿真時表現(xiàn)為兩種狀態(tài)：開或關(guān)，即導(dǎo)通或不導(dǎo)通。對于MOS來說，數(shù)據(jù)只能從輸入端流向輸出端，并且可以通過設(shè)置控制信號來關(guān)閉數(shù)據(jù)流，所以MOS是單向的。

Verilog提供了6種MOS晶體管開關(guān)：cmos、pmos、rcmos、rpmos、nmos、rnmos。

MOS晶體管開關(guān)的語法格式如下：

mos_type[instance_name](outputA,inputB,controlC);

其中，mos_type是nmos、rnmos、pmos和rpmos四種三端口MOS開關(guān)之一；可選項instance_name是這個MOS開關(guān)實例的名稱；第一個端口outputA為輸出端，第二個端口inputB是輸入端，第三個端口controlC是控制信號輸入端。pmos、nmos、rnmos和rpmos均為三端口MOS開關(guān)，包括一個數(shù)據(jù)輸出端、一個數(shù)據(jù)輸入端和一個控制信號輸入端。nmos用于NMOS晶體管建模；pmos用于PMOS晶體管建模。NMOS和PMOS開關(guān)符號如圖5.11所示。圖5.11NMOS和PMOS開關(guān)符號

pmos、nmos、rnmos和rpmos這四種MOS開關(guān)的工作過程如下：

(1)對于nmos和rnmos開關(guān)，如果其控制信號為0，那么關(guān)閉這個開關(guān)，使輸出為z；如果控制信號是1，則打開這個開關(guān)，把輸入端的數(shù)據(jù)傳輸至輸出端。

(2)對于pmos和rpmos開關(guān)，如果其控制信號為1，那么關(guān)閉這個開關(guān)，使輸出為z；如果控制信號是0，則打開這個開關(guān)，把輸入端的數(shù)據(jù)傳輸至輸出端。

rnmos和rpmos與nmos和pmos相比，它們的輸入端和輸出端之間存在阻抗(電阻)。因此，對于rnmos和rpmos，當(dāng)數(shù)據(jù)從輸入端傳輸至輸出端時，由于電阻帶來的損耗，使得數(shù)據(jù)的信號強(qiáng)度減弱。例如：

nmosn1(out,data,control); //實例名為n1的nmos開關(guān)

pmosp1(out,data,control); //實例名為p1的pmos開關(guān)

輸出out的值由輸入data和control的值確定。nmos和pmos的邏輯表如表5.12所示。信號data和control不同的組合導(dǎo)致這兩個開關(guān)輸出1、0或者z、x邏輯值(如果不能確定輸出為1或0，就有可能輸出z、x值)。

cmos和rcmos(cmos的高阻態(tài))有4個端口：一個數(shù)據(jù)輸出端，一個數(shù)據(jù)輸入端和兩個控制信號輸入端。其語法格式如下：

(r)cmos[instance_name](outputA,inputB,Ncontrol,Pcontrol);

其中，可選項instance_name是這個MOS開關(guān)實例的名稱；第一個端口outputA為輸出端，第二個端口inputB是輸入端，第三個端口Ncontrol是N通道控制信號輸入端，第四個端口Pcontrol是P通道控制信號輸入端。cmos(rcmos)的開關(guān)行為與pmos(rpmos)和nmos(rnmos)的類似。可以這樣認(rèn)為，cmos(outputA,inputB,Ncontrol,Pcontrol)是一個nmos(output,input,Ncontrol)和一個pmos(output,input,Pcontrol)的組合。也就是可以用如圖5.12所示nmos和pmos器件來建立一個cmos器件的模型。圖5.12cmos開關(guān)在cmos開關(guān)中，存在著pmos和nmos兩條數(shù)據(jù)通路，當(dāng)Pcontrol為0時，上半部分的pmos開關(guān)打開，數(shù)據(jù)可以從輸入端inputB傳輸?shù)捷敵龆薿utputA；當(dāng)Ncontrol為1時，下半部分的nmos開關(guān)打開，數(shù)據(jù)可以從輸入端inputB傳輸?shù)捷敵龆薿utputA；因此，cmos的真值表可以參考pmos和nmos的。例如：

cmosc1(out,data,ncontrol,pcontrol);//實例名c1的cmos開關(guān)

rcmos是cmos的高阻態(tài)，其開關(guān)行為與cmos完全相同，只是在其輸入端和輸出端之間存在著阻抗，所以數(shù)據(jù)從輸入傳送到輸出的過程中存在著損耗，使得其信號強(qiáng)度被減弱。5.1.4雙向開關(guān)

NMOS、PMOS和CMOS管都是從漏極向源極導(dǎo)通的，是單向的。在數(shù)字電路中，雙向?qū)ǖ钠骷埠艹Ｓ?。對雙向?qū)ǖ钠骷?，其兩邊的信號都可以是?qū)動信號。通過設(shè)計雙向開關(guān)就可以實現(xiàn)雙向?qū)ǖ钠骷?。VerilogHDL內(nèi)置了6種雙向開關(guān)，即數(shù)據(jù)可以在兩個端口之間雙向流動。這6種雙向開關(guān)是tran、rtran、tranif0、rtranif0、tranif1、rtranif1。

其中，前兩種開關(guān)tran和rtran(tran的高阻態(tài))是不能關(guān)斷的，始終處于打開狀態(tài)，數(shù)據(jù)可以在兩個端口之間自由流動。tran和rtran的語法形式如下：

(r)tran[instance_name](signalA,signalB);這兩種開關(guān)只有兩個端口signalA和signalB，數(shù)據(jù)可以在這兩個端口之間流動，因為沒有控制信號，這兩個開關(guān)都不能被關(guān)斷，所以這種雙向的數(shù)據(jù)流動是無條件進(jìn)行的。

后4種開關(guān)(tranif0、rtranif0、tranif1和rtranif1)可以通過控制信號關(guān)閉。其語法形式如下：

bidirection_type[instance_name](signalA,signalB,controlC);

其中，bidirection_type是上述4種雙向開關(guān)之一，實例名instance_name是可選項，前兩個端口(signalA、signalB)是雙向端口，第三個端口controlC是控制信號輸入端。對于tranif0和rtranif0，controlC為0時打開開關(guān)，允許數(shù)據(jù)雙向流動，當(dāng)controlC為1時關(guān)閉開關(guān)，禁止數(shù)據(jù)流動；對于tranif1和rtranif1，controlC為1時打開開關(guān)，允許數(shù)據(jù)雙向流動，當(dāng)controlC為0時關(guān)閉開關(guān)，禁止數(shù)據(jù)流動。在這6種雙向開關(guān)中，tran、tranif0和tranif1內(nèi)的數(shù)據(jù)流動時沒有損耗，但rtran、rtranif0和rtranif1的輸入端和輸出端之間存在阻抗，當(dāng)信號通過開關(guān)傳輸時，信號強(qiáng)度會減弱。

tran、tranif0和tranif1的邏輯符號如圖5.13所示。圖5.13雙向開關(guān)的邏輯符號

tran開關(guān)作為兩個信號inout1和inout2之間的緩存，inout1或inout2都可以是驅(qū)動信號。僅當(dāng)control信號是邏輯0時，tranif0開關(guān)連接inout1和inout2兩個信號；如果control信號是邏輯1，則沒有驅(qū)動源的信號取高阻態(tài)值z，有驅(qū)動源的信號仍然從驅(qū)動源取值。如果control信號是邏輯1，則tranif1開關(guān)連接的inout1和inout2兩個信號導(dǎo)通。5.1.5門級建模舉例

下面通過幾個例子學(xué)習(xí)門級結(jié)構(gòu)建模的基本方法。

4選1多路選擇器有4個數(shù)據(jù)輸入端D0、D1、D2、D3，一個數(shù)據(jù)輸出端Z和兩個控制信號輸入端S0、S1。選擇器會根據(jù)S0和S1的值從4個數(shù)據(jù)輸入端中選擇其中的一個送到輸出端。圖5.14和表5.13所示分別為4選1多路選擇器的電路結(jié)構(gòu)和真值表。圖5.144選1多路選擇器的電路結(jié)構(gòu)

5.2用戶定義原語(UDP)

5.2.1UDP的定義

UDP的定義與模塊無關(guān)，與模塊屬同一層次，所以UDP定義不能出現(xiàn)在模塊之內(nèi)。UDP定義可以單獨出現(xiàn)在一個VerilogHDL文件中或與模塊定義同時處于某個文件中。它的語法形式如下：注意：

(1)

UDP只能有一個輸出端，而且必定是端口說明列表的第一項。

(2)?UDP可以有多個輸入端，最多允許有10個輸入端。

(3)?UDP所有的端口變量必須是標(biāo)量，也就是必須是1位的。

(4)在UDP的真值表項中，只允許出現(xiàn)0、1、x三種邏輯值，高阻值狀態(tài)z是不允許出現(xiàn)的。

(5)只有輸出端才可以被定義為寄存器型變量。

(6)?initial語句用于為時序電路內(nèi)部的寄存器賦初值，只允許賦0、1、x三種邏輯值，缺省值為x。

在UDP中可以描述兩類電路行為：組合電路和時序電路(邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā))。5.2.2組合電路UDP

在組合電路UDP中，填寫的功能列表類似真值表，即規(guī)定了不同的輸入值組合相對應(yīng)的輸出值。沒有指定的任意組合輸出為x。表中output是輸出端的值，input是輸入端的值，它們的排列順序必須和端口列表中的順序相同。表中每一行的語法形式如下：

input1input2…：output

列表中給出多個這樣的行就能對不同的輸入值組合定義對應(yīng)的輸出值，如果某個輸入值組合沒有定義其輸出，那么就把這種情況的輸出置為x。

【例5.1】2-1數(shù)據(jù)選擇器的UDP定義方法。

【例5.2】使用2-1數(shù)據(jù)選擇器原語構(gòu)建4-1多路選擇器。在UDP實例中共可以指定2個時延，這是由于UDP的輸出可以取值0、1或x(無截止時延)。使用6個輸入端A、B、C、D、Sel[1]、Sel[2]和1個輸出端Z以及2個線網(wǎng)TL、TP來實現(xiàn)3個UDP的連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.15所示。圖5.15使用UDP構(gòu)造的4-1多路選擇器5.2.3時序電路UDP

1．初始化狀態(tài)寄存器

時序電路UDP的狀態(tài)初始化可以使用一條過程賦值語句實現(xiàn)。其語法形式如下：

initialreg_name=0,1,orx;

其中，reg_name是狀態(tài)寄存器，0、1、x是這個寄存器可以取的值。初始化語句在UDP定義中出現(xiàn)，但初始化狀態(tài)寄存器不是必需的，若在UDP定義中沒有狀態(tài)寄存器初始化語句，那么狀態(tài)寄存器的值為x。

2．電平觸發(fā)的時序電路UDP

電平觸發(fā)的時序電路UDP比組合型多了一個寄存器，主要用來保存當(dāng)前的狀態(tài)，也可以作為當(dāng)前的輸出。當(dāng)前的狀態(tài)和輸入確定下一個狀態(tài)和輸出。

【例5.3】電平觸發(fā)的D鎖存器時序電路UDP，只要時鐘(clk)為低電平0，數(shù)據(jù)就從輸入傳遞到輸出，否則輸出值保持不變。

3．邊沿觸發(fā)的時序UDP

【例5.4】用邊沿觸發(fā)時序電路UDP為邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器建模，初始化語句用于初始化觸發(fā)器的狀態(tài)。

【例5.5】假定d_edge為UDP定義，它現(xiàn)在就能夠像基本門一樣在模塊中使用，如下面的4位寄存器所示。

4．電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)混合的UDP

時序UDP包括電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)兩種，VerilogHDL允許這兩種行為混合存在于同一個UDP中。在這種情況下，邊沿變化在電平觸發(fā)之前處理，即電平觸發(fā)項覆蓋邊沿觸發(fā)項。

【例5.6】帶異步清零的D觸發(fā)器的UDP描述。

5.3模?塊?的?調(diào)?用

為了把所有模塊連接成系統(tǒng)或者高層模塊而調(diào)用低層子模塊，需使用模塊實例化語句。模塊實例化語句和調(diào)用基元時使用的基元實例化語句形式上完全一致，也是使用結(jié)構(gòu)級建模方法描述的。

調(diào)用低層模塊的語法形式為：

低層模塊名實例名(參數(shù)定義)；

其中，“低層模塊名”是要引用的模塊名；“實例名”是模塊的實例名；“參數(shù)定義”是端口關(guān)聯(lián)聲明。5.3.1端口的關(guān)聯(lián)方式

端口有兩種關(guān)聯(lián)方式，即位置關(guān)聯(lián)方式和名稱關(guān)聯(lián)方式，這兩種關(guān)聯(lián)方式不能夠混合使用，其語法形式如下：

port_expr

//位置關(guān)聯(lián)方式

.PortName(port_expr) //名稱關(guān)聯(lián)方式

其中，PortName是子模塊在定義時給出的端口名稱，port_expr是高層模塊內(nèi)定義的線網(wǎng)或寄存器變量，這個變量與子模塊端口關(guān)聯(lián)就實現(xiàn)了子模塊與高層模塊之間的連接。名稱關(guān)聯(lián)方式是用一個小數(shù)點“.”引導(dǎo)的表達(dá)式.PortName(port_expr)，模塊端口和端口表達(dá)式的關(guān)聯(lián)被顯式地指定，也就是子模塊PortName端口在高層模塊中與port_expr相關(guān)聯(lián)。因此端口的關(guān)聯(lián)順序并不重要。

位置關(guān)聯(lián)方式不需要給出子模塊定義時給出的端口名稱PortName，只要端口表達(dá)式按模塊定義時的端口順序與模塊中的端口關(guān)聯(lián)即可。port_expr可以是以下的任何類型：標(biāo)識符(reg或net)、位選擇、部分位選擇、前三種類型的合并、表達(dá)式(只適用于輸入端口)。例如：

MicroM1(UdIn[3:0],{WrN,RdN},Status[0],Status[1],

&UdOut[0:7],TxData);

【例5.7】使用兩個半加器模塊構(gòu)造全加器，子模塊是半加器HA，高層模塊是全加器FA，在FA中引用了兩個HA。邏輯圖如圖5.16所示，其中h1和h2分別是兩個半加器。圖5.16使用兩個半加器模塊構(gòu)造的全加器子模塊半加器的VerilogHDL描述：全加器的VerilogHDL描述：5.3.2端口懸空的處理

在實例化語句中，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5.8】子模塊的描述。高層模塊調(diào)用子模塊DFF，模塊實例化語句是：

(1)DFFd1(.Q(QS),.Qbar(),.Data(D),.Preset(),.Clock(CK));/*名稱關(guān)聯(lián)方式。端口Qbar和Preset的括號里為空，表明這兩個端口被懸空*/

(2)DFFd2(QS,,D,,CK);/*位置對應(yīng)方式。輸出端口Qbar和輸入端口Preset的位置都被懸空*/

懸空的端口因為類型不同而意義不同。若模塊的輸出端口懸空，則表示該輸出端口不用。若模塊的輸入端口懸空，則被置為高阻態(tài)z。5.3.3端口寬度匹配問題

在端口關(guān)聯(lián)時，若端口和局部端口表達(dá)式的長度不同，則端口通過無符號數(shù)的右對齊或截斷方式進(jìn)行匹配。

【例5.9】模塊調(diào)用時端口寬度匹配舉例。

子模塊的描述：頂層模塊Top的描述：在子模塊guan_lian的實例語句中：

(1)?2位的Bdl和6位的Pba相連，Bdl[2]連接到Pba[0]，Bdl[1]連接到Pba[1]，余下的輸入端口Pba[5]、Pba[4]Pba[3]和Pba[2]被截斷，處于懸空狀態(tài)，因此為高阻態(tài)z。

(2)?5位的Mpr和3位的