Verilog HDL建模技巧 ：低级建模 仿顺序操作

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。