第五讲

工程步骤自顶向下
逻辑设计模块连接模块设计与连接

由于帝国硬性规定的等级制度，根据种族、职业等划分等级。其目标是：“每个人都有自己的位置，每个人都在自己应在的位置上。”

——《沙丘》

有句电影台词说得好：“监狱生活充满了一段又一段的例行公事。”

老道晓得前几日晚间的这段书是和尚讲的“非RTL级的Verilog简介”，因此匿了。众所周知，唱戏的是“男怕夜奔，女怕思凡”，讲Verilog最怕的就是这个非RTL，多亏我长了个心眼。我倒是佩服加菲，真的符合那个章节号：第二章第二回，整个就是一个二。说起来呢，贫道也没闲待着。我是高抬腿轻落足，将身藏于房梁之上，期间还少不得学了几声耗子叫，终于听完了这段书。这个出家人竟然讲完了，还没有倒彩，也算是完满了。有说书人如此，大家夫复何求？

好了，书归正传，今天主要给大家说说Verilog里和模块有关的话题。要说模块，就要先说工程项目设计的流程。这也就是为什么要引用“例行公事”那句话了，从流程上看来，项目的工作无外乎“例行公事”的过程。

一、人脑有限层次化

在《软件工程》这门课里，大家肯定被灌输了不少“瀑布模型”的概念。如是我闻（套一句和尚的术语）：“瀑布模型（Waterfall Model）是一个项目开发架构，开发过程是通过设计一系列阶段顺序展开的，从系统需求分析开始直到产品发布和维护，每个阶段都会产生循环反馈，因此，如果有信息未被覆盖或发现了问题，则最好“返回”上一个阶段并进行适当的修改，项目开发进程从一个阶段“流动”到下一个阶段，这也是瀑布模型名称的由来。”这个概念，实际上不仅仅可以用于软件开发，我们的数字逻辑设计过程也可以借鉴一二。

不多聊软件开发的内容，这里只给一个结论：在需求明确并且变更很少的前提下，“瀑布模型”适用。这个要求倒是和数字逻辑设计——尤其是 ASIC 设计——的现实比较符合，因此在进行项目开发时，经常采用“瀑布模型”的思想。注意这里说的是思想，名字嘛，就不一定了。把猫叫作“Hello Kitty”，也不会改变其生物学本质。为什么会有这么多名字，鄙人没研究过，就不瞎说了。

为什么会有“瀑布模型”？教授们肯定讲了不少理由，贫道这里只有一个理由：个人能力不够。这儿的“个人”不是指某个特定的个体，也不是说“张三小学毕业，能力不成；李四是本科，就没问题了”。这是一个人脑生物学特性决定的事情，上帝没有把人类的大脑，设计成适合大的工程项目的样子。现在的工程项目已经巨大到了，任何一个工程师的注意力，在一个时刻不可能放到全部细节上的地步。

为什么大家在本科学习FPGA做实验时，不采用“瀑布模型”开发呢？因为这样太费力气了，完全属于出力不讨好。如果你设计一个“流水灯”，还写那么多报告，估计你的经理明天就“端茶送客”了。这能说您老不严谨？非也非也，是您老不识时务。换一个场景，设计一个基站接收机或CPU什么的，上手就敢写代码，老道预计贵施主离卷铺盖走人的日子也不远矣。没人——即使是天才——能把握如此复杂的系统。还是那句话，是您老不识时务。别想多了，这不是吹来吹去的那个寓言 的意思，老道才没那个时间和精力和大家打机锋呢。

“找啊找啊，找呀找”，找到了一个软件和数字逻辑设计均可用的“瀑布模型”示意图，如图2.9所示。忽略验证/测试部分及需求分析部分，关于开发设计的主要任务见表2.7。这两个属于前面一回的“余孽”，就是说还是属于“看热闹”的冷知识。但是也难说，万一有哪位听众升职做项目管理了呢？记住：“苟富贵，勿相忘！”

其实，这个开发过程与原来传统的PCB类电子系统的开发过程没有本质区别。PCB是自顶向下进行信息系统、板和板内设计，Verilog也是自顶向下设计各层模块的。按照一般人类能够处理的能力而言，建议最底层的模块设计到小规模集成电路的水平（就是《数字电子技术》实验课里面，什么74系列芯片的样子）比较合适。这个没有定论，不是强行规定。

在开发过程中，模块一般是按照逻辑功能进行划分的。因此模块的命名也是按照功能进行的，如通信模块、显示模块。PCB上的芯片用导线/传输线连接，类似的，Verilog语言也可以表达模块如何连接（“必须的”）。唯一的不同点在于：PCB 不能设计芯片里的功能，而我们设计的却正是芯片本身。

可能又有细心的听众质疑这种开发了：这样按照纯粹功能划分模块，会不会在逻辑上不是最优呢？这个担心是有道理的。但是在目前这么发达的电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）的前提下，这样问难免有杞人忧天的嫌疑。简单说，就是您老太小看综合软件了。可以这么说，综合的第一步就是把所有模块打散，变成一个大的平铺的“电路”，然后才进行优化。对于时序设计，可能综合软件的帮助不大，但是对于组合逻辑的优化，一般人脑还真的比不过软件。

鄙人从来没做过管理工作，以上只是点到为止，说一说鄙人在这么多年工程实践里的感觉，难免挂一漏万，请诸位斧正。如果需要更加专业的介绍，请查考专门论述项目管理，尤其是硬件项目管理的专著。

二、代码描述单芯片

要讲解Verilog语言的语法需要从最底层的模块讲起，这个和设计的顺序是恰好相反的。有点嘲讽意味的是，这看似截然不同的两种叙述方法的理由却是惊人的相同：人脑的局限性。

好了，书到紧关节要之处了，大家严肃点。现在遇到了一个关键的Verilog关键词：module，汉语翻译就是模块的意思。这个关键词module与endmodule配对，标记代码中的一个模块，也可以说，它是一个逻辑的“芯片”。一个抽象的简单模型如下：

module module_name（ports_table）;

ports_description;

begin

module_behavior　description;

end

endmodule;

其中

“module_name”（模块名称）的起名，请遵守有关的命名规则。总的原则是，让人一看到这个名字就大约知道这个模块是做什么用的。有些人总是喜欢U1、U2之类的名称，这样不好。这样说吧，如果将来挨了批评什么的，乃至因此丢了饭碗，别找贫道拼命。

“ports_table”（输入输出端口/管脚列表），起到罗列出芯片管脚（pin）作用。理论上说，一个有意义的模块，总是对输入数据进行某种处理（也即功能部分）然后输出出去。因此，输入输出总是难免的。在Verilog 2001中，在输入输出端口/管脚列表中也可以完成有关输入输出端口/管脚列表的定义。

“ports_decription”（输入输出端口/管脚定义），完成确定端口信号方向和位宽的作用。端口信号既可以是1 bit的，也可以是多位位宽的。如上所述，这部分可能被输入输出端口/管脚列表收编。端口名称不能重复定义，否则会引起混乱（这个不必细说，地球人都知道）。

“module_behavior description”是模块真正的功能部分（这部分超出了本章的范围，在下将会在后文书给大家详细介绍）。

最后值得注意的是module那句话后面也有分号“;”，很多人在最初做代码时容易忘掉它。然后嘛，自然综合器会提示语法错误，这个错误还比较难查。

图2.10中的模块（这里还是抽象模型，不详细说明。工程中的一个实例就是半加器，当然也可以是其他单元）具有两个输入信号in_1和in_2和两个输出信号out_1和out_2。例2.14和例2.15就是两种不同的描述方法（请先忽略信号的类型，紧接着会唠叨得您老吐了为止的）。

【例2.14】具有端口定义部分的模块描述

module abstraction_module（in_1,in_2,out_1,out_2）;

//Ports Description

//Inputs:

input in_1;　　 //First input signal

input in_2;　　　//Second input signal

//Outputs:

output reg out_1;　　 //First output signal

output reg out_2;　　 //Second output signal

//Module Operation

begin

module_behavior description;

end

endmodule

【例2.15】具有端口列表中完成定义的模块描述

module abstraction_module（input in_1,input in_2,output reg out_1,output reg out_2）;

//Inputs:

//in_1:　　First input signal

//in_2:　　 Second input signal

//Outputs:

//out_1:　　 First output signal

//out_2:　　 Second output signal

//Module Operation

begin

module_behavior description;

end

endmodule

这两个例子中的有关模块定义是等效的，工程师可以根据自己的喜好选择。理论上，无须强行规定。如果有公司有规定，则是项目管理的需要而非语法的要求。

空行部分按照标准的说法是：“空白包括空格符、制表符（tab）、回车，处理时刻均忽略。”代码中保留部分空行，可以有效分割各个功能部分，提高代码的可读性。在下有这个习惯，绝非为了多赚几个稿费，特此声明。

另外，以“//”开头的部分是有关注释，不参与有关综合和仿真。有些注释是为了标记不同功能区的分割，更多的是为了说明有关功能。当然，在正式的代码中，例子里的“First input signal”（第一个输入信号）基本属于废话，不建议出现。要注释就真的说明一下信号的性质，如“高电平有效的复位”等。以“/*”开头和“*/”结束的部分也是注释，这个中间的内容也不做任何处理。

例2.15里的同方向、同位宽的信号可以合并，写成例2.16的样子。但是对于这样的形式，鄙人十分的不推荐，其可读性不好。

【例2.16】同方向、同位宽的信号可以合并的模块描述

module abstraction_module（input in_1,in_2,output reg out_1,out_2）;

//Inputs:

//in_1:　　First input signal

//in_2:　　 Second input signal

//Outputs:

//out_1:　　 First output signal

//out_2:　　 Second output signal

//Module Operation

begin

module_behavior description;

end

endmodule

输入、输出信号也可以是多位位宽的，描述方法在前文书中已经介绍了，这里不再多说。例2.17是图2.9的一个扩展，其中in_1、in_2和out_1都是4比特信号，out_2保持1比特位宽。这是什么呢？这就是老道最喜欢忽悠的4比特半加器。

【例2.17】具有多位位宽端口的模块描述

module abstraction_module（in_1,in_2,out_1,out_2）;

//Ports Description

//Inputs:

input[3:0]in_1;　　 //First input signal,4 bits

input[3:0]in_2;　　　//Second input signal,4 bits

//Outputs:

output reg[3:0]out_1;　　 //First output signal,4 bits

output reg out_2;　　　　　 //Second output signal,1bit

//Module Operation

begin

module_behavior description;

end

endmodule

上面例子中的Verilog关键字input表示该信号是输入信号，类似的，output表示该信号是输出信号。

另外，还有一个非常特殊的关键词inout。这个关键词对应着很多计算机系统中的数据总线之类的信号。这个信号既可能是输入，也可能是输出，具体方向由系统中的“控制器”发出的控制信号（一般是flag--标志）决定。具体如何使用，将在后文书中给出，先存着这里不表。还需要说明的是，这个信号只能出现在电路系统最外层的模块的端口处，不建议用于内部模块的连接。也就是说，只有和真实物理芯片管脚连接的信号，才能被定义为inout类型。

不是每种信号类型和每种端口类型都匹配的，请注意：这个和输血一样，混乱了要死人的。表2.9给出了信号类型和端口类型的对应匹配关系。具体这么匹配的原因，请从电路角度思考。当然，不思考硬背也未尝不可，毕竟这个表中的内容不多。

模块外的情况，就涉及模块的实例化和模块调用的问题了，请看下节分解。还有一种带参数的模块定义方法，属于高级层次了。目前听众还没有到达那个层次，为了使大家不混淆，暂时不讲，后面也有介绍。

三、巧手穿梭模块间

正如上文书说到的，能够被一个模块完成全部功能的系统，了不起也就是学生练习作业的水准，估计连课程设计的难度都达不到。因此，这里套用一句广告词：学会模块之间的连接，很有必要。

一般把内部没有其他模块的模块叫作底层模块，同时，把包含其他模块的模块叫作顶层模块。在一般的系统架构图中，顶层模块是外面的大方块，底层模块则画在大方块的内部，如图2.11所示。顶层模块内可以包含多个其他模块（底层或顶层皆可能）。这些内部的模块既可能是相同的，也可能是不同的。再说一句放之四海而皆准的废话：模块之间的连接是要满足某种目的的，不能瞎连乱连。

顶层模块的存在，可能有两个作用：一是满足所谓前面提到的“自顶向下”设计的思路；二是为了“偷懒”。举一个例子，例如，系统需求是实现一个复数加法运算。可以如图2.12所示那样，先做一个实数加法的底层模块，然后用两个实数加法模块在顶层复数加法模块里并列，来完成系统的需求。当然，对于这个例子，直接写两个“+”也不难。但是，如果被重复的底层模块十分复杂，则这样的方法就几乎成为必然了。如果您老愿意笔耕不倦地敲字母，“All work and no play makes Jack a dull boy ”，鄙人只好学星爷的台词了：“I服了you（我服了你）。”（心里独白：陕西话——瓜娃，粤语——死蠢，重庆话——哈搓搓，吴语——港督）

强调一点，您老可以“偷懒”式将模块例化，综合软件却绝对是一个“傻孩子”。每个例化的模块都会用独立的电路实现。换句话讲，就是你重复例化同一个模块几遍，就消耗几倍的这个模块的电路资源。

模块的被引用，在术语里叫作例化。模块的代码可以被视为一个芯片库，里面有很多可选用的芯片；模块的例化，就等于把需要的芯片焊接到PCB上面。只有例化的模块，才是系统真正的有机组成。

模块的例化的主要问题是上层信号与模块端口的连接，有两种写法：第一种，按照模块端口列表的顺序，直接写上层信号；第二种，采用端口引用的方法，格式是.port_name（signal_name）,port_name 是模块端口的名称，signal_name 是上层信号的名称。如果采用第二种方法，姑且称为对点名，可以不考虑模块实现的端口列表的顺序。

以上面的附属加法模块为例，例2.18是实数加法模块的抽象实现，不涉及具体功能，例2.19和例2.20对应上面说到的模块例化的方法1和方法2。在例2.20中，故意改变了有关虚部加法的端口顺序，看起来有点怪怪的。这样写的目的是为了演示，请大家理解。

【例2.18】实数加法模块的抽象实现

module real_adder（in_1,in_2,out_result）;

//Ports Description

//Inputs:

input[7:0]in_1;　　 //Operate number 1,7 bits

input[7:0]in_2;　　　//Operate number 2,7 bits

//Outputs:

output reg[8:0]out_result;　　 //Result=in_1+in_2,8 bits

//Module Operation

begin

module_behavior description; //Result=in_1+in_2

end

endmodule

【例2.19】复数加法模块：顺序引用连接（方法1）

module real_adder（real_1,real_2,image_1,image_2,real,image）;

//Ports Description

//Inputs:

input[7:0]real_1;　　 //Real part of operate number 1,7 bits

input[7:0]real_2;　　　//Real part of operate number 2,7 bits

input[7:0]image_1;　　 //Image part of operate number 1,7 bits

input[7:0]image_2;　　　//Image part of operate number 2,7 bits

//Outputs:

output[8:0]real_part;　　 //Real part of result,8 bits

output[8:0]image;　　　　　//Image part of result,8 bits

//Module Implement

real_adder realpart_adder（real_1,real_2,real_part）;

//Real part operation

real_adder imagepart_adder（image_1,image_2,image）;

//Image part operation

//Module Operation

begin

module_behavior description; //Result=in_1+in_2

end

endmodule

【例2.20】复数加法模块：点名引用连接（方法2）

module real_adder（real_1,real_2,image_1,image_2,real,image）;

//Ports Description

//Inputs:

input[7:0]real_1;　　 //Real part of operate number 1,7 bits

input[7:0]real_2;　　　//Real part of operate number 2,7 bits

input[7:0]image_1;　　 //Image part of operate number 1,7 bits

input[7:0]image_2;　　　//Image part of operate number 2,7 bits

//Outputs:

output[8:0]real_part;　　 //Real part of result,8 bits

output[8:0]image;　　　　　//Image part of result,8 bits

//Module Implement

real_adder realpart_adder（.in_1（real_1）,.in_2（real_2）,.out_result（real_part））;

//Real part operation

real_adderimagepart_adder（.out_result（image）,　.in_1（image_1）,　.in_2（image_2））;

//Image part operation

//Module Operation

begin

module_behavior description; //Result=in_1+in_2

end

endmodule

如果调用自己的模块出现错误，请自行面壁。如果调用的是别人的模块，包含调用IP核（Intellectual Property core）的情况，请务必详细阅读该模块的说明——鄙人见过太多望文生义，附加打包错误连连的情况了。

最后，罗列一些不建议在代码里出现的冷知识。

· 允许模块例化时，上层信号与模块定义的类型不一致（这叫作位宽不匹配），这时会按照Verilog语言规定的类型信号赋值转化原则进行位宽调整。

· 上层信号的位宽可以与模块定义的位宽不一致（这叫作位宽不匹配），这时会按照Verilog语言规定的不同位宽信号赋值原则进行缩位或扩展。

· 点名例化连接方法允许模块端口悬空，格式是.port_name（），括号里是空的即可。仿真的处理原则是：输入管脚悬空，该管脚输入为高阻 Z；输出管脚悬空，该管脚废弃不用。

这正是：

“三环套月名冲霄，机关重叠人难料。自顶向下流程妙，模块层次系统晓。定义例程两路标，例化实现双线桥。系统架构芯志聊，电路设计下面教。” weOEwsFJN62ZfAmDsyLABj9vPqlJ+mt9maMs/0ed2V+xwLVdPo7cR/MWtA86uzON