Verilog — инструмент разработки цифровых электронных схем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

(Продолжение, начало №2/2001)

УегПод -

инструмент разработки цифровых электронных схем

Сергей Емец

[email protected]

Операторы

Синтаксис операторов в языке Verilog подобен синтаксису языка программирования С. К сожалению, отсутствуют операторы ++, -- и все операторы модификации вида (операция)=, например, *=, Л= и т. п. Но в то же время существуют логические операторы, полезные для моделирования цифровых схем: при одинаковом синтаксисе (\, ~1, л, ~л, & ~&) данные операторы могут быть битовыми (bitwise) и работать с двумя операндами или операторами свертки (reduction) и с одним операндом. Тип выполняемой операции определяется по положению оператора в выражении. Кроме логических операций языком поддерживаются и арифметические операции, но, чтобы получить информацию о синтези-руемости выражений с арифметическими операторами, следует ознакомиться с документацией на средства синтеза. Для эффективной реализации (синтеза) арифметических выражений в «железе» возможно потребуется приобретать специальные средства или библиотеки для datapath элементов.

Рассмотрим применение операторов на примере.

module op_test;

reg [3:0] D0, D1, D2, D3;

reg [3:0] A, B, C, D; reg a, b, c, d; initial begin D0=4’b0; D1=4’b1111; D2=4’b1010; D3=4’b01xz; A=D1^D2;

//Verilog case-sensitive

// А и а — различные переменные

// bitwise операция — два операнда

ется как неопределенное (x). При моделировании комбинаторная логика обычно способствует распространению x, но если, например, на один из входов элемента И (And) подан 0, то, независимо от значения на других входах, на выходе будет 0. Это иллюстрируют полученные в примере значения С и с.

В языке присутствует условный оператор ?:, который работает так же, как и в языке С. Таким образом, простейшей записью мультиплексора из 2 в 1 является:

assign Y=(SEL)?A:B;

Список операторов языка Verilog:

{} concatenation

+----* / arithmetic

% modulus

> >= < <= relational

! logical negation

&& logical and

|| logical or

== logical equality

!= logical inequality

=== case equality *

!== case inequality *

~ bit -wise negation

& bit-wise and

I bit-wise inclusive or

Л bit-wise exclusive or

Л~ or ~Л bit-wise equivalence

& reduction and

~& reduction nand

I reduction or

~I reduction nor

reduction xor reduction xnor shift left shift right arithmetic shift left arithmetic shift right conditional

Л

-Л or Л <<

>>

<<<

>>>

a=^D2; // reduction операция — один операнд

B=D0ЛD3;

b^D3;

C=D2&D3;

c=&D3;

D=D2ID3;

d=ID3;

$display(«A=%b a=%b B=%b b=%b C=%b c=%b D=%b d=%d», A, a, B, b, C, c, D, d); end

endmodule

Полученный результат будет выглядеть так:

Highest level modules: op_test

A=1010 a=1 B=01xx b=x C=00x0 c=0 D=111x d=1

При выполнении логических и битовых операций состояние с высоким импедансом (z) воспринима-

Операторы, помеченные *, будут рассмотрены при описании поведенческих конструкций.

Часть операторов повторяется. Например, << и <<< выполняют одинаковое действие, а последовательное выполнение ~ и Л имеет такое же значение, как и Л~ или ~Л.

Применяться операторы могут как к цепям (wire), так и к сигналам (reg) и переменным. При этом используются различные типы присвоения. Для цепей, которые являются моделью физического соединения (провода), требуется подключение непрерывного воздействия, которое моделируется непрерывным (continuous) присвоением. Значения же регистров и

переменных могут изменяться в результате процедурных действий и сохраняться между воздействиями (так же, как и переменные процедурного языка программирования). Для моделирования этого используется процедурное (procedural) присвоение. Непрерывное присвоение употребляется вне процедурных блоков initial или begin и используется либо в описании цепи, либо с ключевым словом assign (существуют также процедурные непрерывные присвоения в блоках initial или always с ключевыми словами assign и deassign). Слева от оператора непрерывного присвоения (=) должен находиться объект типа цепь. При изменении значения какого-либо из объектов, входящих в выражение справа от =, данное выражение будет вычислено, и новое значение будет присвоено.

Ниже приведен пример, иллюстрирующий работу непрерывного присвоения.

module assign_test; reg [3:0] data; wire parity, forth;

wire gnd=1'b0; //объявление присвоение

wire y=(data[0])?data[1]:gnd; //мультиплексор

assign parity^data; //непрерывное присвоение

assign forth=~Idata[1:0]; //еще одно присвоение initial

$monitor(data,, parity,, forth,, y); //запускаем системную

функцию для индикации изменений

initial

for (data=0; data!=15; data=data+1'd1) //переберем варианты #1; //задержка нужна, чтобы $monitor работал правильно

endmodule

Результат работы этого примера:

Highest level modules: assign_test 0 0 1 0 1 1 0 0

2 1 0 0

3 0 0 1

4 1 1 0

5 0 0 0

6 0 0 0

7 1 0 1

8 1 1 0

9 0 0 0

10 0 0 0

11 1 0 1 12 0 1 0

13 1 0 0

14 1 0 0

15 0 0 1

Процедурные присвоения бывают двух типов: blocking (=) и nonblocking (<=). В большинстве случаев разработчики переводят эти названия на русский язык как «блочные» и «не блочные» присвоения, но по смыслу более подходящим кажутся термины «блокирующие» и «не блокирующие». Для того чтобы понять разницу между данными типами присвоения, нужно рассмотреть работу Verilog симулятора. В реальном объекте (цифровой схеме), который моделируется с помощью языка Verilog, события могут происходить одновременно: при изменении входного сигнала во всех элементах начинаются процессы, которые протекают одновременно и приводят к каким-либо изменениям выходных сигналов. Программа симулятора не может обрабатывать события одновременно и создает списки событий, которые должны выполняться последовательно. Когда все события из списка выполнены, симулятор переходит к следующему временному шагу: увеличивает значение текущего момента времени на некоторый временной интервал (второй параметр

директивы 'timescale) и выполняет список событий, которые должны произойти на этом шаге. Об исполнении событий в других временных шагах (механизме задержек) будет рассказано далее, а сейчас рассмотрим события, происходящие «одновременно» — в одном временном шаге.

Допустим, имеется следующее описание:

always @ (posedge CLK) a=b; always @ (posedge CLK) b=a;

Пусть а и b — регистры единичной длины, и к моменту положительного фронта тактового сигнала CLK а = 0, b = 1. Какое значение будут иметь эти переменные после прохождения фронта? Это не определено в языке и зависит от того, в какой последовательности операции присваивания попадут в список. То есть получается конструкция, поведение которой непредсказуемо. Это значит, что либо обе эти переменные будут равны 0, либо 1. Конкретный результат зависит от симулятора и от последовательности, в которой будут обработаны строки исходного файла. «Блокирующее», или «блочное», присвоение (=) блокирует исполнение других операций в блоке последовательных операций (до тех пор, пока не будет выполнена данная операция). Использование «блокирующего» присвоения в подобной конструкции в конкурентно исполняемых блоках нежелательно, и его следует избегать. Но в то же время, если в блоке требуется провести последовательное исполнение операторов, следует применять данный тип присвоения.

Конструкция

always @ (posedge CLK) begin a=0; b=a; end

гарантирует, что после фронта CLK обе переменные — a и b — будут обнулены.

Если же предыдущие примеры переписать с использованием «неблокирующего», или «неблочного», присвоения (<=), то поведение модели изменится:

always @ (posedge CLK) a<=b; always @ (posedge CLK) b<=a;

В этом случае в список событий, исполняемых во временном шаге после изменения CLK, эти операции будут помещены параллельно, то есть переменные обменяются своими значениями. После прохождения фронта CLK переменные изменят свои значения: а = 1, b = 0. Данная конструкция будет эквивалентна следующей:

always @ (posedge CLK) begin a<=b; b<=a; end

и описывает два D-триггера, выход каждого подан на вход другого, а на тактовые входы подан сигнал CLK. При этом последовательность записи: a<=b; b<=a или b<=a; a<=b — не играет роли, так как моделируются одновременно происходящие события.

Вторая конструкция в этом случае:

always @ (posedge CLK) begin a<=0; b<=a; end

описывает два D-триггера. На вход одного (а) подан 0, а выход подключен к входу другого (b). На тактовые входы подан сигнал CLK.

Если дополнить первый триггер сигналом асинхронной установки, получится схема, которая реально может быть использована для синхронизации и нормирования коротких импульсов.

always @ (posedge CLK or posedge SET) begin

if (SET) a<=1'b1;

else

begin

a<=0;

b<=a;

end

end

Проверим работоспособность данной схемы следующим испытательным стендом (это упрощенный testbench — правильный пример создания испытательных стендов приведен в первой части статьи):

'timescale 1ns/10ps module test; reg CLK, SET, a, b; always

#5 CLK=~CLK; //100 МГц тактовый сигнал

always @ (posedge CLK or posedge SET) //испытываемый блок

begin

if (SET) a<=1'b1; else begin

a<=0;

b<=a;

end

end

initial //инициализируем переменные begin CLK=0;

SET=0; a=0; b=0;

$monitor($time,,SET,,a,,b);

end

initial #100 $finish; // через 100 нс завершить моделирование

initial //подача «асинхронного» сигнала SET

begin

#57 SET=1'b1;

#1 SET=1'b0; end

endmodule

Результат работы этого теста:

Highest level modules: test 0 0 0 0

57 1 1 0

58 0 1 0 65 0 0 1 75 0 0 0

показывает, что асинхронный сигнал SET, длительностью 1 нс (фронт на 57 нс после пуска), был синхронизирован по фронту CLK в регистре b — длительность 10 нс (фронт 65 нс, срез 75 нс).

Для пользователей VHDL можно провести параллель между variable assignment (:= VHDL) и blocking assignment (= Verilog), signal assignment (<= VHDL) и nonblocking assignment (<= Verilog) соответственно. Но следует учесть, что в процедурных конструкциях Verilog различий между регистром и переменной не делается.

Временной и событийный контроль

Так как Verilog используется для моделирования физических систем, то большое внимание уделено привязке события к определенному моменту времени. Для этого используется механизм задержек.

Следует заметить, что средства синтеза (как для Verilog, так и для VHDL) игнорируют вре-

менные конструкции в исходном коде. Для правильной генерации цифровой схемы (нет листа) из библиотечных элементов в средства синтеза, наряду с описанием на языке высокого уровня вводятся файлы, содержащие описания «constrain». В этих файлах описываются временные ограничения распространения сигналов. Применяемый для этого синтаксис не стандартизован и определяется используемым средством синтеза. Профессиональная работа с HDL-языками высокого уровня подразумевает не только умение создавать грамотные поведенческие описания, но и умение правильно управлять средством синтеза с помощью «constrain».

Однако для моделирования временной контроль необходим, и в примерах этой статьи неоднократно использовались выражения вида #<число>. Вместо числа может использоваться выражение, содержащее целые и/или вещественные параметры. В синтаксисе языка определено несколько форм временных задержек для описания различных технологических условий, наиболее полной из которых является так называемая mintypmax форма — #(min, typ, max), например #(2, 3, 4). Но данные конструкции используются, как правило, для моделирования на уровне вентилей (нет листа), а более эффективным методом таких описаний является SDF-аннотация с применением специальных SDF-файлов. Поэтому в статье будет использоваться упрощенная форма задания задержки с одним параметром #typ. Для анализа исходных файлов «третьей стороны» можно считать, что всегда используется типовое (среднее) значение.

Рассмотрим применение задержки в непрерывном присвоении.

assign #10 c=aЛb;

Данная конструкция описывает элемент «исключающее или» с задержкой распространения 10 нс (вернее, 10 единиц первого параметра директивы 'timescale, который по умолчанию равен 1 нс). Все задержки в непрерывных присвоениях являются инерциальными. Это означает, что если сигнал А изменит свое

состояние на время, меньшее 10 нс, а затем изменит еще раз, то изменения сигнала С не произойдет. Для того чтобы произошло изменение сигнала С требуется, чтобы сигнал А был зафиксирован в новом состоянии более 10 нс. Такая модель поведения соответствует распространению задержки при прохождении через элементы электронной схемы. Другой тип задержки — транспортная задержка, которая обеспечивает точное соответствие формы задержанного сигнала и сдвиг его по шкале времени. В отличие от VHDL (в котором существуют спецификаторы типа задержки inertial и transport) Verilog не позволяет использовать оба типа задержек в одном моделировании. Для переключения типа задержки служит ключ командной строки запуска Verilog-симулятора.

Рассмотрим задержки в процедурных блоках. Первая форма — простая задержка (она использовалась в примерах статьи). Она имеет вид:

#1 x=y;

Такая задержка вызывает остановку последовательного блока на 1 нс (не влияет на обработку конкурентно исполняемых блоков). Она не обязательно используется с оператором присваивания, может использоваться с пустым оператором #1. То есть #1 x=y может быть записано в такой форме #1; x=y или #0.5; #0.5 x=y. Поведение этих конструкций одинаково.

Также в процедурном блоке задержка может встречаться с другой стороны знака =. Это так называемая intra-assignment delay.

x=#1 y;

В этом случае вначале происходит вычисление выражения, затем задержка, а затем присвоение. То есть рассматриваемый пример эквивалентен

tmp=y;

#1;

x=tmp;

Кроме временного контроля существует событийный контроль (который можно счи-

тать другой формой временного контроля). Признаком событийного контроля является знак @. В рассмотренных ранее примерах событийный контроль использовался в блоках always. Отличие Verilog от VHDL в данном случае состоит в том, что для описания фронтов и срезов сигналов используются не специализированные атрибуты сигнала, а специальная конструкция языка. Это создает впечатление, что разработчики языка Verilog несколько лучше представляли себе процесс разработки цифровых схем. Событийный контроль используется в процедурных блоках так же, как и временной контроль. При этом задержка исполнения происходит не на фиксированный временной интервал, а до тех пор, пока не произойдет нужное событие. События бывают следующих типов:

• @(name) — изменение name, при этом name может являться цепью, регистром, переменной или переменной типа event;

• @(posedge A) или @(negedge А) — фронт или срез сигнала А, при этом А — однобитовый регистр или цепь;

• комбинация перечисленных событий с ключевым словом «or», например @(posedge CLK or posedge SET); в этом случае следует различать «or» с одноименной логической операцией; в событийном контроле «or» означает, что ожидается любое из перечисленных событий, а не определенный результат логической операции.

Для генерации синхронного сброса может использоваться такая конструкция:

nReset=0;

repeat (16) @(posedge CLK); nReset=1’b1;

Конструкция во второй строке примера обеспечивает задержку на 1б тактов, вернее, задержку на прохождение 1б фронтов сигна-

(Продолжение следует)