從電路到Verilog | IP設(shè)計(jì)可企及，宏和參數(shù)只是為了合并同類模塊

?

老衲第一次學(xué)習(xí) Verilog 語言，基本就到前面幾講的程度，頂多加上了解`define 宏定義。于是對(duì)于能設(shè)計(jì) IP 核的人，那是佩服的五體投地，如黃河泛濫一發(fā)不可收拾。直到 Verilog 2001 出了參數(shù)（parameter）和生成塊（generate）功能，做 IP 核就成了人人可以掌握的技能了。對(duì)頭，下面老僧就和施主們講這些內(nèi)容。

同樣的代碼 / 模塊要簡(jiǎn)化不難，這就是所謂模塊化的作用。但是類似的模塊 ---- 例如同樣是計(jì)數(shù)器，只是內(nèi)部 D 觸發(fā)器位寬的不同 ---- 要聚類就需要一些技巧了，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E8%B7%AF/">電路是不支持結(jié)構(gòu)靈活變化的。為了能夠合并類似模塊，Verilog 發(fā)展出了宏和參數(shù)這兩個(gè)玩意。

最后呢，在 Verilog 2001 里面，設(shè)計(jì)了塊生成的功能。這個(gè)功能使得用戶可以更加簡(jiǎn)單的根據(jù)外部的輸入，靈活的產(chǎn)生最佳的電路結(jié)構(gòu)。

1. 參數(shù)定義，結(jié)構(gòu)變化
參數(shù)的定義方法和傳遞方式見表 1 所示。定義有兩種方法，傳遞也有兩種方法，在加上參數(shù)列表的兩種表示，又是一個(gè)“一題多解”。那種方式好？沒標(biāo)準(zhǔn)答案，按照施主喜歡的方式來即可。但是一個(gè)項(xiàng)目里面，最好選擇一種組合模式，方便其他人閱讀。

表 1 參數(shù)的定于與傳遞

“parameter_list”為參數(shù)列表，參數(shù)之間用逗號(hào)“,”隔開；其中，“parameter_name”是用戶定義的參數(shù)名稱，建議采用容易閱讀的命名方式；“parameter_initial_value”為該參數(shù)對(duì)應(yīng)的初始值，在本模塊的實(shí)例未被定義參數(shù)的時(shí)候使用。

“parameter_list_seperated”為獨(dú)立于 module 定義之外的參數(shù)列表，需要在模塊行為描述之前書寫。它由若干個(gè)關(guān)鍵字“parameter”開頭的參數(shù)定義構(gòu)成；如果一個(gè)“parameter”帶多個(gè)參數(shù)定義，則這些參數(shù)需要被逗號(hào)“,”隔離；每個(gè)“parameter”開頭的定義，末尾用分號(hào)“;”表示結(jié)束。

“parameter_assignment_list”是參數(shù)賦值列表，由關(guān)鍵字“defparam”開頭，后面是各個(gè)參數(shù)的賦值。對(duì)于每個(gè)參數(shù)，參數(shù)名稱需要用“module_instance_index”指定是哪一個(gè)例化模塊對(duì)應(yīng)的參數(shù)；模塊索引“module_instance_index”的格式是按照最高模塊例化名稱到最底層例化的順序排列，模塊例化名稱之間用點(diǎn)“.”隔離；“parameter_value”是對(duì)應(yīng)參數(shù)的值；參數(shù)賦值之間用逗號(hào)“,”隔離，末尾需要有分號(hào)“;”。

“parameter_assignment_list_sequence”是按照定義順序的參數(shù)傳遞列表，其中各個(gè)對(duì)應(yīng)參數(shù)值“parameter_value”的順序必須和定義時(shí)候的順序一致。

“parameter_assignment_list_named”是按照指定名稱的參數(shù)傳遞列表，其中各個(gè)對(duì)應(yīng)參數(shù)值“parameter_value”有前面帶點(diǎn)“.”的參數(shù)名稱“parameter_name”指定。所以在參數(shù)的排列順序上可以任意。

當(dāng)在實(shí)例化模塊的同時(shí)傳遞參數(shù)的時(shí)候，請(qǐng)注意模塊名稱之后是參數(shù)傳遞列表，然后才是模塊的實(shí)例名等，這個(gè)順序不能搞錯(cuò)。參數(shù)傳遞列表被#(…)標(biāo)記出來。

參數(shù)的值可以說明位寬，但是一般而言，參數(shù)的值是一個(gè)常數(shù)不需要定義位寬的。
代碼中引用參數(shù)的時(shí)候，直接使用其名稱，無需象宏定義那樣用“`”開頭。

例 2 給出了一個(gè)位寬和最大值參數(shù)化的計(jì)數(shù)器的例子，請(qǐng)參考。例子中，這個(gè)計(jì)數(shù)器完成到達(dá)最大值就清零的不停的計(jì)數(shù)功能。頂層模塊調(diào)用了兩個(gè)參數(shù)不同的計(jì)數(shù)器。

?

【例 2】位寬和最大值參數(shù)化的計(jì)數(shù)器
`define WIDTH_1 8
`define WIDTH_2 4
`define WIDTH_3 3
//Bit width for different sub modules

`define MAX_1 200
`define MAX_2 13
`define MAX_3 5
//Bit width for different sub modules

module top_counter_parameter
? (
??? input clk, RST,
??? output[`WIDTH_1 - 1:0] counter1,
??? output[`WIDTH_2 - 1:0] counter2,
??? output[`WIDTH_3 - 1:0] counter3??????
? );
//Load other module(s)
counter_parameter C1(.clk(clk), .RST(RST), .counter(counter1));
counter_parameter C2(.clk(clk), .RST(RST), .counter(counter2));
??? defparam? C2.WIDTH = `WIDTH_2, C2.MAX_VALUE = `MAX_2;
counter_parameter #(.WIDTH(`WIDTH_3), .MAX_VALUE(`MAX_3))
????????????????? C3(.clk(clk), .RST(RST), .counter(counter3));
//Definition for Variables in the module

//Logic
endmodule
……
module counter_parameter
#(parameter WIDTH = 8,
//Bit width for output
MAX_VALUE = 200)
//Maximun value for counter)
? (
??? input clk, RST,
??? output reg[WIDTH - 1:0] counter
? );

?
//Load other module(s)

//Definition for Variables in the module

//Logic
always @(posedge clk or negedge RST)
begin
??? if (!RST)
??? begin
??????? counter <= 1'h0;
??? end
??? else if (counter < MAX_VALUE)
??? begin
?????? counter <= counter + 1'h1;????
??? end
??? else
??? begin
?????? counter <= 1'h0;????
??? end
end
endmodule

參數(shù)型常數(shù)常用于定義延遲時(shí)間和變量寬度，在模塊和實(shí)例引用時(shí)，可通過參數(shù)傳遞改變?cè)诒灰媚K或?qū)嵗幸讯x的參數(shù)。參數(shù)在被綜合的時(shí)候必須是常數(shù)值，這點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)一下，變結(jié)構(gòu)的電路是不可能被綜合的。這個(gè)常數(shù)值可以是已知的常數(shù)，也可以通過常數(shù)之間的計(jì)算得到。

參數(shù)是給綜合軟件用的，所以在實(shí)現(xiàn)的電路里面不可能明顯的看到參數(shù)的值。

除了參數(shù)，Verilog 2001 里面還定義了一個(gè)很多工程師都不知道干嘛用的本地參數(shù)“l(fā)ocalparam”。本地參數(shù)的定義方法和參數(shù)一樣，作用域也是相同的。這兩類參數(shù)的區(qū)別在于，本地參數(shù)不同通過參數(shù)傳遞方式進(jìn)行修改。

?

2. 生成有塊，更加靈活
一般而言，生成塊要和參數(shù)功能合作，完成動(dòng)態(tài)產(chǎn)生電路的作用。當(dāng)然這個(gè)功能也可以不動(dòng)態(tài)產(chǎn)生電路，但是這樣相當(dāng)于用寶劍來做木匠活，不僅大材小用還不方便使用。

生成塊的關(guān)鍵詞是“generate”，英文產(chǎn)生的意思。一個(gè)生成塊被
generate
operations
endgenerate
這樣的框架包裹，其中“operations”是快生成的功能部分，用來描述實(shí)際有用的邏輯。生成塊功能分為：條件、case 和循環(huán)三個(gè)類型，待貧僧一一道來。

條件嘛，莫過于就是“if…else if…”的樣子了，看到這里的觀眾們應(yīng)該可以耳熟能詳了。但是注意，生成塊的條件里面不是什么都可以裝的，可以用于生成塊的條件功能的內(nèi)容僅限于：模塊（例化）、UDP、Verilog 門原語、連續(xù)賦值，initial 塊和 always 塊等。這個(gè)要注意，否則報(bào)錯(cuò)是不可避免的。

生成塊的語法結(jié)構(gòu)，想必大伙兒也猜得出：
generate
if (condition)
??? operation_1
else
??? operation_2
endgenerate

其中，“condition”是邏輯表達(dá)式，是判決條件。當(dāng)判決條件為真的時(shí)候，進(jìn)行“operation_1”的操作；否則，進(jìn)行“operation_2”的操作。

就和 if 與 case 的關(guān)系一般，生成塊里面既然有 if 也少不得 case 來搭配。生成塊的 case 的語法結(jié)構(gòu)是：
generate
case (constant_express)
value_1: operation_1
value_2: operation_2
……
value_n: operation_n
default: operation_default
endgenerate

如何使用，不必啰嗦。生成塊的 case 里面可以包含的內(nèi)容和生成塊 if 的一樣的。強(qiáng)調(diào)一下，僅僅包括：模塊（例化）、UDP、Verilog 門原語、連續(xù)賦值，initial 塊和 always 塊。

如何選擇 if 和 case 的應(yīng)用場(chǎng)景也是類似的情況，老衲也不多嘴。

看到上面的內(nèi)容，施主們一定會(huì)產(chǎn)生輕敵的思想：生成塊莫過如此，easy！兵法有云：“驕兵必?cái)　?，這個(gè)想法要不得。下面給大伙說說循環(huán)類型的生成塊，這個(gè)很容易引起歧義，老衲需要細(xì)細(xì)講解。

欲說循環(huán)生成，先要介紹生成索引變量“genvar”，其語法結(jié)構(gòu)是：
genvar genvar_name_1, genvar_name_2, ……, genvar_name_n;
其中，“genvar_name”是不同循環(huán)索引變量的名稱，要求符合 Verilog 對(duì)于變量名名的要求。這個(gè)變量是和循環(huán)生成共生的，看起來像是循環(huán)里面的循環(huán)變量。實(shí)際中，它比循環(huán)變量的應(yīng)用范圍專業(yè)，只用于循環(huán)生成的電路模塊的“索引”。具體啥叫“索引”和“索引”啥，先買個(gè)關(guān)子，后面再說。

循環(huán)式生成塊的語法結(jié)構(gòu)是
generate
genvar genvar;

??? for (genvar = start_value; end_condition; circle_express)
??? begin:? instant_name
??????? operations
??? end
endgenerate

其中， “start_vlue”、“end_condition”、“circle_expree”是和循環(huán)語句 for 是一樣一樣的含義?！皁perations”是每次循環(huán)的操作，這只能是變量聲明、模塊（例化）、UDP、Verilog 門原語、連續(xù)賦值，initial 塊和 always 塊這幾個(gè)里面的一個(gè)或者幾個(gè)。“genvar”就是前面說到的生成索引變量。最大的不同是操作一定要有“begin……end”括在內(nèi)部，而且“begin”之后要有“:? instant_name”這個(gè)結(jié)構(gòu)。冒號(hào)表示風(fēng)格，不多說；“instant_name”就是所謂的生成索引的名字。換句話說，“instant_name”表示 for 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的模塊、變量的名稱，以防止混淆。

這里說了這么許多，很多施主肯定已經(jīng)迷糊了，下來給個(gè)例子十分必要。

?

看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，用循環(huán)生成做一個(gè)位寬參數(shù)化的加法鏈，如例 2 所示。由于最低比特是一個(gè)半加器，這個(gè)在代理里面特別處理了。特別說明一下，for 循環(huán)里面實(shí)現(xiàn)了若干個(gè)全加器，這些全加器的被命名為：full_adder[0].F，full_adder[1].F……這就是所謂的生成索引。

【例 2】位寬參數(shù)化的加法鏈（半加器外置）

施主們就看到了生成塊是可以嵌套的，這個(gè)一般的代碼類似。還是一句順口溜：嵌套用得好，寫核難不倒。意思是說：生成塊的嵌套用好了，自己寫 IP 核就是探囊取物一般簡(jiǎn)單。這方面的資料相對(duì)較少，所以老僧就不厭其煩再給幾個(gè)例子。

還是例 3 場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)位寬參數(shù)化的加法鏈。

【例 3】位寬參數(shù)化的加法鏈（全加器 / 半加器合并）
module? adder_line_generate #(parameter WIDTH = 8)
(
??? input[WIDTH - 1 :0] a0, a1,
??? output[WIDTH :0] sum
? );
//Definition for Variables in the module
?????????
generate
//Other bits: full adder
genvar loop;
begin
??? for (loop = 0; loop < WIDTH; loop = loop + 1)
??? begin: ADDER
?????? wire c;
?????? //Carried bit in the loop named ADDER[loop].c
?????? if (loop == 0)
?????? begin
?????????? half_adder h(.a0(a0[loop]), .a1(a1[loop]),
???????????????????????????? .s(sum[loop]), .c1(c) );
?????? end
?????? else
?????? begin
?????????? if (loop == WIDTH - 1)
?????????? begin
??????????????????????????? full_adder F(.a0(a0[loop]), .a1(a1[loop]), .c0(ADDER[loop-1].c),
???????????????????????????????? .s(sum[loop]), .c1(sum[WIDTH]) );
??????????? end
??????????? else
??????????? begin
??????????????? full_adder F(.a0(a0[loop]), .a1(a1[loop]), .c0(ADDER[loop-1].c),
???????????????????? .s(sum[loop]), .c1(c) );????????????
??????????? end
??????? end
??? end
end
endgenerate

//Logic

endmodule

生成塊和 Verilog 語句里面對(duì)應(yīng)的 if、case 和 for 很容易混淆，在最后貧僧在表 3 里面幫大家做了一個(gè)總結(jié)，請(qǐng)參考。

表 3 生成塊和 Verilog 語句的區(qū)別

由此可見，雖然生成塊和 Verilog 語句里面 if、case 和 for 的樣子完全一樣，但是應(yīng)用場(chǎng)合卻是大相徑庭的。施主們一定要注意區(qū)別對(duì)待，用錯(cuò)了地方可是要鬧笑話的。
這正是：

“
禹王量水號(hào)神針，大圣降妖棒一根。如今列位有福分，語言里面塊生成。
模塊選擇參數(shù)能，數(shù)目大小循環(huán)認(rèn)。靈活運(yùn)用仙界登，不怕小核把亂生。
”

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：溫故而知新：從電路里來，到 Verilog 里去！

之二：Verilog 編程無法一蹴而就，語言層次講究“名正則言順”

之三：數(shù)字邏輯不容小窺，電路門一統(tǒng)江湖

之四：Verilog 語言：還真的是人格分裂的語言

之五：Verilog 不難學(xué)，聊聊時(shí)序邏輯那些事兒

之六：數(shù)字電路設(shè)計(jì)：有理論、有電路、有代碼“三位一體”

之七：熟讀語言要素，不會(huì)編程也懂 verilog