【FPGA至简设计原理与应用】第一篇 第三章硬件描述语言Verilog第3节模块结构

明德扬肖老师

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第3节 模块结构

3.1 模块介绍

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1. 本节主要介绍模块结构，模块（module）是verilog的基本描述单位，是用于描述某个设计功能或结构及与其他模块通信的外部端口，有5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。     
2. ALTERA和VIVADO文档

   

    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。本书主要以Verilog硬件描述语言为主，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。它的一般语法结构如下所示：

下面笔者详细分析一下这段代码：

3.2 模块名和端口定义

第1至5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。

3.3 参数定义

    第8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;

3.4 接口定义

    第9至12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；

                 ……;

3.5 信号类型

    第14至17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。

3.6 功能描述

    第21至31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。详细功能见“功能描述-组合逻辑”一节。

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“模块例化”一节。

3.7 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Verilog 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_name instance_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。

1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    13    14    15    16    17

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：

1    2    3    4    5    6

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。