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Verilog HDL建模技巧 :低级建模 仿顺序操作
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苹果也疯狂
发表于 2014-1-24 22:10
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Verilog HDL建模技巧 :低级建模 仿顺序操作
发光二极管
,
经典的
,
C语言
,
技巧
第1章“低级建模”的思路
首先,我将用一个简单的例子来说明一下,“低级建模”的最基本思路:
(一)利用C语言驱动八位发光二极管:
我们以流水灯作为例子,因为它是最经典的实验。假设我要实现流水灯效果,那么我只要建立一个简单的“流水灯函数”函数,“Flashing”。
如果要实现自左向右或者自右向左发光的流水灯,可以使用C语言创建两个简单的函数,“Flashing_To_Right”和“Flashing_To_Left”。
假设我要实现流水灯效果:
1. 永远自右向左发亮。
2. 永远自左向右发亮。
3. 流水灯永远跑来跑去。
那么可以这样写:
对于C语言来说,这些任务都非常的简单。几乎是入门级的实验,但是将这些实验带入到V语言的环境下。确实一个记得思考的问题。
(二)利用V语言驱动八位发光二极管:
我们先看一段非常傻瓜的一段代码:
没错,上面是实现流水灯的代码。如果我说我要求:“ 自左向右循环3次,自右向左循环5次,然后自左向右一次,自右向左一次,然后自左向右循环30次 ”。当你听到这样的要求,你可能会崩溃.... 如果按照上面的写法,你会写得很长很长。
相比之下,C语言要实现以上的要求,根本就是“小儿科”的功夫。
给自己5分钟的思考,想想我到底要表达什么?
在C语言上,有“顺序操作”或者“泛型编程”的概念。从上述的代码中,for循环利用i变量,控制循环次数,然后调用3次“Flashing_To_Right()”函数。相反的V语言是“并行操作”的概念,类似的方法完全行不通。这就是新手们常常遇到的问题。
方法行不通,但是不代表思路不行。“低级建模”最基本的思路就是“仿顺序操作”。“低级建模”不是什么困难的东西,它只是一中的“手段”而已,只要你了解它的基本构思,它会成为很有用的工具。
第2章“低级建模”的结构
2.1“低级建模”的基本结构
从一个管理系统看来,“低级建模”会是一个从上直下层次的一个概念。
从上面的示意图可以看出,老板是最顶级的,而员工是最低级的。老板从上头发号,然后经经理呀,领导呀,最后苦力集团就开始动工了。当完工的时候,一一向上报告。低级建模的概念类似如此。除了老板以外,所有经理,领导,员工的“集合”称为“低级建模”。而老板是“独立模块”,因为老板不受命令,而且也不用报告。而多个“功能模块”的集合称为“组织模块”,如上面示意图中的“永远垂死的苦力集团”
2.2“低级建模”的准则
根据上文和上示意图的分析,“低级建模”基本上有以下几个准则:
1. 有“组织模块”和“功能模块”之分。
2. “低级建模”中的“功能模块”均称为“低级功能模块”。
3. “低级功能模块”有如特点:有开始信号,完成信号,一个模块只有一个功能。
4. 多个“低级功能模块”组织起来称为“组织模块”。
注意点:功能模块又分成“低级功能模块”和“非低级功能模块”?这话何解呢?
从上面的示意图中可以分辨出“低级功能模块”和“非低级功能模块”。“低级功能模块”包含“开始信号”和“完成信号”而“非低级功能模块”则没有(就是这样简单而已)。
2.3“开始信号”和“完成信号”的作用
先看看以下一段代码:
上面的代码可以分成两个部分,一部分是“独立模块”和另一部分是“低级功能模块”。独立模块只有一个则打工模块有三个,而且每一个打工模块仅包含一个功能而已“打扫”,“洗厕所”和“跑腿”....
注意: 独立模块不属于低级建模。
假设老板有一系列的命令要发号:打扫 ==> 洗厕所 ==> 跑腿
当“负责打扫”的“低级功能模块”收到老板的第一号命令“打扫”时,该模块从“待命状态”变成“打扫状态”,此时老板可以睡一觉或者干其他的活儿。该模块便开始“执行打扫任务”,当该模块“打扫完毕”后,就给老板“报告”,然后返回“待命状态”。故老板听到“打扫完成”报告后,就给下一个“低功能模块”发下一号命令 ...
在“低级建模”的结构上,为了使不同层次的“低级功能模块”可以协调的工作,“开始信号”和“完成信号”扮演着很重要的角色。在现实中,如果 “打扫 ==> 洗厕所 ==> 跑腿”是一个有“次序的三部曲”,那么老板不可能要员工颠倒次序来干活儿 。老板得按次序,一个一个的命令员工干活。除此之外老板也不可能实时监督员工的工作状况,做老板真的很辛苦,除了“发号”以外,还要干很多事情,所以员工的“完成报告”在某种程度上可以减轻老板的活儿(使编程更简单),毕竟老板也是人,他也有疲惫的时候。
接下来的话题便是:“每一个低功能模块仅包含一个功能”。
虽然在现实中,确实存在“全能的人类”打扫,洗厕所,跑腿等技能全都集于一身。但是“低级建模”的准则必须遵守。你尝试想象一下,如果一个“低级功能模块”,包含了如上的工作 “打扫 ==> 洗厕所 ==> 跑腿” 或者更多,即不是要把代码写得很长很长 ...
所以呀,“低级建模”的准则有它一定的“重要性”(在日后的深入中,你会慢慢了解的)。
2.4 组织的概念
“组织模块”在“低级建模”中,非常的重要。它不但简化对多个“低级功能模块”的调用,而且也解决了“两义性”或者“多义性”的问题。
你尝试想象一下:如果有多个打工仔,散落在不同的地方。当老板要发号的时候,既不是非常不方便。同样的,在模块化设计中,设计者往往为了使使用更简单,常常都会使用“顶层模块”将多个模块“封装”到一个模块中,亦即将复杂的东西“隐藏”了起来,只剩下简单“接口”而已。这样的做法是为了使该模块可以容易被使用。
然而在“低级建模”的设计中,“模块化的组织”更有“层次感”。为了使“上一层模块”可以很方便调用“下一层组织模块”。“低级建模”的设计常常将一组或者一个“组织模块+低级功能模块”,“低级功能模块+低级功能模块”,“组织模块+组织模块”组织起来。虽然感觉上会有一种“杂乱感”,但是实际运用起来,真的非常方便。
如上面的示意图中,3个员工被组织了起来,然后3个员工的组合又和领导组织了起来。故这样的组织方法因层次关系,如此类推,最后会有两个“大组织”
组织1 = { 经理 => 领导 => 3个用工 }
组织2 = { 经理 => 3个员工 }
“低级建模”的“组织”结果会是示意图中所示。除老板意外,大家都有自己的“组织”。
假设老板要命了员工干活,那么老板只要命令任意一个经理就行。
至于“二义性”或者“多义性”的问题,后面会讨论到。
第3章“低级功能模块”的模板结构
3.1 模板基本结构
从上述中,模板的基本结构有以下的特征:
1) Start_Sig 和 Done_Sig是固定的。
2) 寄存器i用于控制次序步骤。
3) 最后两个i步骤用于产生完成信号。
4) i 等于 0 的时候,多半都是用于初始化动作(选择性)。
正如准则的要求,“开始信号”和“完成信号”都是必须的。“开始信号”可以视为“片选信号”而“完成信号”如字面上的意思。寄存器i有一个重要的功能,它指向任何下一个步骤,而通常所编写的格式如下:
除此之外该模板还引入了 “task - endtask”。目的是为了提升和 “结构性” 。新手们应该知道,使用V语言如果没有良好的编程风格,代码的 “可读性” 是非常的糟糕。
在这里我先简单复习一下,“task - endtask” 的用法 :
上面的两个写法都是等价的。如果模块是小功能,那么左边的写法很适合。但是一旦模块的功能很复杂,那么右边的写法会凸显出优势。
3.2 建议
为什么需要模板结构?
创建代码的工作往往都是一次性,为了供人参考,或者为日后“升级”的打算。我们不得不养成好的“编程风格”,这也是许多参考书上提出的重点之一。而“模板”便是一种已经制定好的“编程风格”,故这样会简化了编程风格上的问题,只要加以修改,便会完整一个有“结构”和“有风格”的代码。
为什么“低级功能模块”的步骤,需要一个计数寄存器来指向呢?
其实这个问题我也考虑了很久,因为是“仿顺序操作”的关系,故人类对“1, 2, 3 ... ”类似的次序(步骤)有更直接的效果。而且也很好的为代码扩展。
编写“低级功能模块”时,必须遵守笔者提议的模板结构吗?
模板的结构只是一个参考而已。该“模板”结论是我经过不同风格的编程,得出“最通用”的结果。当然你可以无视我的规定,完全自定义自己的模板结构。但是有一点请注意,必须以“解读性”为优先考虑。因为好的代码不是在“执行效率”上,而是“可维护”和“被解读”。
第4章 续流水灯实验——“低级建模”实例
4.1建立2个“低级功能模块”
“自左向右循环3次,自右向左循环5次,然后自左向右一次,自右向左一次,然后自左向右循环30次”
假设这是实验的要求, 首先我们先建立两个“低级功能模块”。一个名为flashing_to_left 和 flashing_to_right 。
两个模块几乎是一模一样,不同的地方只是在 53行而已。虽然代码都很简单,但是还是稍微关心 45 ~ 61 行的代码,因为是功能的核心部分。正如模板结构般,在第45行,如果Start_Sig 不处于高电平,那么该模块根本无法执行功能。计数寄存器i使用与指向下一个步骤,正如在第49行,当rData 被初始化过后,i指向下一个步骤。
在51行到53行之间,是移位操作,每一次的移位动作都需要200个时钟周期。移位操作一共有8个步骤。最后该模块产生一个“高脉冲”以表示“完成”,然而i也被复位为0。
仿真效果如下
(第一行是输出Q,第二行是Start_Sig,第三行是完成信号)
( 最后一行是完成信号 )
注意最后一行,当i 计数从1~8过后,就产生一个完成信号,而完成信号需要两个时钟周期的时间。
完成创建2个“低级功能模块”以后,为了使日后调用方便,必须封装起来。“低级功能模块”的封装工作会比较麻烦,因为“低级功能模块”有“复用连线”的现象,换一句话说,会出现“两义性”或者“多义性”的问题 ......
4.2 “低级功能模块”封装 和“两义性”或者“多义性”的问题
如上的示意图。当我们要封装2个“低级功能模块”在一次,如果两个“低级功能模块”使用同一个输入(重用输入连线)或者同一个输出(重用输出连线)就会出现两义性的问题。为了解决这个问题,使用“多路选择器”便可以。
为了解决多“两义性”或者“多义性”的问题多路选择器常常被使用。如上述代码中在45~52行(从第27,第40行引出“连线”)“Q_U1”和“Q_U2”被if控制着输出。这样的写法是最优化的,生成的RTL图也非常的整洁。
当然还有其他的写法:
虽然如上的写法和,第45到52行的写法相比,更为简洁,而且生成的 RTL图也一样。但是这样的写法有如下的弱点:
1. 解读性很差。
2. 只能解决两义性的问题而已。
所以不怎么推荐使用。
还有一中更糟糕的写法:
虽然该写法的解读性很高效果也一样,但是却很浪费资源。生成的RTL图如下:
和上述两个写法相比,它可差多了,所以不推荐使用。
/**********************************************************/
接下来,我们来分析上面的代码。
“always @ ( * )”这样的写法在Verilog HDL 2001 中已经被支持(好像是这个版本)。在敏感包中的“*”,可以理解为“任何状况都有效”。
而“else rQ = 3'dx”,这行不能被省略掉。不要问我为什么,这是V语言的编程规则。你尝试注释掉后,再编译看看,你会发现会很多“Warning”。
还有一点请注意,因为“Q_U1”和“Q_U2”是连线的关系,所以必须使用寄存器来驱动。如上的代码中“rQ”便是扮演这样的角色。如果该寄存器被省略了,会出现编译错误。
总结:
“两义性”或者“多义性”的问题,不仅在“低级建模”中出现,日常的建模也会出现它们的踪影,然而“低级建模”出现的频率比较高罢了。“多路选择器”在设计的时候应该经多方面的考虑,亦即取得最平衡的效果。
4. 3 建立“产生效果”的 “低级功能模块”
首先,我们先回顾一下“低级建模”的准则。低级建模的准则如下:
1. 有“组织模块”和“功能模块”之分。
2. “低级建模”中的“功能模块”均称为“低级功能模块”。
3. “低级功能模块”有如特点:有开始信号,完成信号,一个模块只有一个工能
4. 多个“低级功能模块”组织起来称为“组织模块”。
在上一章节,我们建立了两个“低级功能模块”,各个模块都有“开始信号”,“完成信号”,和“单一的功能”(准则2, 3),然后将两个“低级功能模块”组织了起来(准则1,4),
“ 自左向右循环3次,自右向左循环5次,然后自左向右一次,自右向左一次,然后自左向右循环30次”
这一章节,我们要从上一章节的基础上,建立另一个“低级功能模块”,用来产生如上的效果。
然后再将它与之前已经组织好的模块,再一次组织起来。
概念图如下:
“产生效果的模块”代码如下:
这个effect_module由于使用模板的关系,多以编程格式与flashing_to_right/left 大同小异。但是核心功能部分就稍微复杂一些。
第23行和24行,声明用的寄存器“isRight”和“isLeft”分别对应flashing_to_right 和 flashing_to_left 的“Start_Sig”。
在40行,第1~3, 9 i步骤,执行“Flash_Right”任务。在56~62行,巧妙的利用“开始信号”和“完成信号”来执行“flashing_to_right”模块。正如下代码:
一开始 “isRight" 的初始值为0,所以会进入 else语句,然后“isRight”被设置为1。当“isRight"为1时,“Right_Start_Sig”被拉高(第88行),换一句话说就是“使能flashing_to_right ”模块。
在“flashing_to_right”模块执行完成之前(产生完成信号),i步骤不变。当检查到“完成信号”,i会指向下一个步骤,然后isRight设置为0(关闭flashing_to_right模块)。
即使是Flash_Left 任务,还是其他什么任务。只要涉及到“开始信号”和“完成信号”,都可以使用这样的写法,这是“低级功能模块”的编程好处。
在第30行至50行之间,这个功能模块产生的效果,如i指向的步骤那样,0时初始化,1~3,9时执行“flashing_to_right”功能,然后 4~8,10 时执行“flashing_to_left”功能等等......
最后会产生如下的效果:
“ 自左向右循环3次,自右向左循环5次,然后自左向右一次,自右向左一次,然后自左向右循环30次”
在最后两个步骤,产生完成信号。
就这样,一个符合“低级建模”准则的“低级功能模块”就完成了。这个模块只是“产生控制次序而已”,还不是完成品。在下一章,当将“effect_module”和“flashing_module”组织过后,就会成为完成品。
4. 4 : 再一次“组织”起来:
这一章,我们要讲 effect_module 和 flashing_module 组织起来,然后命名为“done”
代码如下:
这是第二层的组织了,到这里基本上我们已经完成如下图的效果
下面是仿真的载图:
总结:
实际上“低级建模”不是一个完美的东西,它本身就存在很多缺陷,如:建模量很大等...
除此之外,“低级建模”在“时序”上还是很弱,如VGA的驱动程式,它真的有点力不从心(理论上是这样,我没有更多的时间测试其他程式了)。
正如我在书语上所说的,它是针对新手提出的“一种建模”思路。主要是针对“仿顺序操作”的执行概念,其余的还有“编程风格”,“建模模块”等在设计思路上的扩展。
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