Verilog硬件描述语言门级和数据流建模

西安邮电大学微电子系第三章

门级和数据流建模前言

Verilog模型可以是实际电路不同级别的抽象。这些抽象的级别和它们对应的模型类型共有以下五种：

系统级(system)算法级(algorithmic)RTL级(RegisterTransferLevel):门级(gate-level):

开关级(switch-level)对于数字系统的逻辑设计工程师而言，熟练地掌握门级、RTL级、算法级、系统级是非常重要的。而对于电路基本部件（如门、缓冲器、驱动器等）库的设计者而言，则需要掌握用户自定义源语元件（UDP）和开关级的描述。本章我们将通过实际的VerilogHDL模块的设计来学习如何从门级抽象的角度来设计数字电路。

3.1门级结构描述门级建模：电路是用表示门的术语来描述的。一个逻辑网络是由许多逻辑门和开关所组成，因此用逻辑门的模型来描述逻辑网络是比较直观方法。VerilogHDL提供预定义的一些门类型的关键字（原语），可以用于门级结构建模。1.与非门、或门和反向器等及其说明语法VerilogHDL中有关门类型的关键字共有26个之多，我们只介绍最基本的八个。有关其它的门类型关键字，读者可以通过翻阅VerilogHDL语言参考书，在设计的实践中逐步掌握。下面列出了八个基本的门类型（GATETYPE）关键字和它们所表示的门的类型：

and 与门 nand 与非门 nor 或非门 or 或门 xor 异或门 xnor 异或非门 buf 缓冲器 not 非门

门的说明语法可以用标准的声明语句格式和一个简单的实例引用加以说明。

门声明语句的格式如下：

<门的类型>[<驱动能力><延时>]<门实例1>，<门实例2>，…<门实例n>;

门的类型是门声明语句所必需的，它可以是VerilogHDL语法规定的26种门类型中的任意一种。驱动能力和延时是可选项，可根据不同的情况选不同的值或不选。在verilog中通过“实例引用”这些逻辑门来构造电路。具体的例子:

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

这说明在模块中引用了一个名为nd1的与非门（nand),输入为data、clock和clear,输出为a,输出与输入的延时为10个单位时间。2.门级结构描述实例：D触发器：

下例是用VerilogHDL语言描述的D型主从触发器模块

module

flop(data,clock,clear,q,qb);input data,clock,clear;output q,qb;

nand nd1(a,data,clock,clear),nd2(b,ndata,clock),nd4(d,c,b,clear),nd5(e,c,nclock),nd6(f,d,nclock),nd8(qb,q,f,clear);nand nd3(c,a,d),nd7(q,e,qb);not iv1(ndata,data),iv2(nclock,clock);

endmodule门级多路选择器：moduletwomux(out,a,b,sl);inputa,b,sl;outputout;notu1(nsl,sl);andu2(sela,a,nsl);andu3(selb,b,sl);oru4(out,sela,selb);endmodule

超前进位加法器和及进位输出方程：若定义：

则：推出3.2数据流建模门级建模非常直观。但是如果电路功能比较复杂，使用门级描述不但繁琐而且容易出错。需要设计者从更高的抽象层次进行电路设计。将设计的重点放在功能的实现上。在目前的数字设计领域，数据流建模是RTL级描述的重要的组成部分。数据流建模：指根据数据在寄存器之间的流动和处理过程对电路进行描述。连续赋值语句（assign）是verilog数据流建模的基本语句。assign[delay]LHS_net=RHS_expression;半加器的例子moduleHalfAdder(A,B,Sum,Carry);inputA,B;outputSum,Carry;assignSum=A^B;assignCarry=A&B;endmodule连续赋值语句的特点;1、assign语的左值必须是一个线网而不能是寄存器。2、assign语句总是处于激活状态，即:只要任意一个操作数发生变化，表达式就会被立即从新计算，并将结果赋给等号左边的线网。3、操作数可以是线网型、寄存器型变量，也可以是函数调用。隐式连续赋值

//普通连续赋值wireout；assignout=in1&in2；//隐式赋值实现同样功能

wireout=in1&in2；1、多路选择器：//用逻辑方程描述的多路选择器moduletwomux(out,a,b,sl);inputa,b,sl;outputout;assignout=~sl&a|sl&b;endmodule数据流建模举例//使用条件操作符描述的四选一多路选择器

modulemux4_1(out,i0,i1,i2,i3,s0,s1);outputout;inputi0,i1,i2,i3;inputs0,s1;assignout=s1?(s0?i3:i2):(s0?i1:i0);endmodule2、四位全加器modulefulladder4(sum,cout,a,b,cin);output[3:0]sum;

outputcout;input[3:0]a,b;inputcin;assign{cout,sum}=a+b+cin;endmodule如何检查上述例子其功能是否正确？需要有测试激励信号输入到被测模块需要记录被测模块的输出信号需要把用功能和行为描述的Verilog模块转换为门级电路互连的电路结构（综合）。需要对已经转换为门级电路结构的逻辑进行测试（门级电路仿真）。需要对布局布线后的电路结构进行测试。（布局布线后仿真）。

模块的验证被测模块激励和控制信号输出响应和验证验证程序一般是指描述一个设计确定的输入序列和期望输出的响应的代码的集合。Testbench是完全封闭的，没有输入也没有输出。验证模块常见的形式：`timescale时间单位/时间精度modulet;reg…;//声明连接变量wire…;//声明连接变量initialbegin…;…;…;end……//产生测试信号always#delaybegin…;end……//产生测试信号Testedmdm(.in1(ina),.in2(inb),.out1(outa),.out2(outb));//被测模块的实例引用initialbegin….;….;….end//记录输出和响应endmodule端口与外部信号的连接：1、顺序端口连接连接到模块实例的信号必须与模块声明时模块端口列表中的位置保持一致。

modulefulladd4_tb;reg[3:0]A，B；

regC_IN;wire[3:0]SUM;wireC_OUT;fulladd4uut(SUM,C_OUT,A,B,C_IN);endmodulemodulefulladd4(sum,c_out,a,b,c_in);...endmodule2、命名端口连接:

在复杂的设计中，模块可能具有很多个端口，在这种情况下，要记住列表中的顺序是很困难的，而且容易出错，verilog提供了另一种端口连接方式。