【Verilog HDL】门级描述 / 数据流描述 / 行为级描述——通过四选一多路选择器，实现对于不同层级描述方式的整体性认知

0 前言

本文从整体上带你完成Verilog HDL语言的三种不同描述方式，让你从宏观上有所把握。

最核心的原则：一切设计实际需求而定，需要存储变量就用reg，需要有符号数就用integer/real/reg signed……

1 输出端口的设计

端口的设计，区别主要在于输出端口是默认的wire还是自定义的reg，本篇将以1位四选一数据选择器为例进行说明。

1.1 门级描述和数据流描述

这两种描述的时候，使用默认的wire即可。

这两种描述方式，本质上都是直接使用逻辑门

• 门级描述是显式地使用了门级原语
• 数据流描述其实是隐式地使用门级原语，因为他是直接描述数据在寄存器直接的流动关系，本质上，还是在阐述逻辑门的使用

门级描述与数据流描述，就好比结绳记事和使用符号记事的区别，用一连串的符号标志，代替了绳子，减少了许多麻烦。

• 门级描述是以门级原语为基石的描述方式，必须使用线网类型
• 数据流描述是以连续赋值语句为基石的描述方式，其左值必须是线网类型，右值无要求。

以下是四选一数据选择器的端口声明，关注output out语句

module choose_4to1(
    input d0,d1,d2,d3,
    input add1,add0,
    output out	// 注意输出端口的设定
    );
    
    
endmodule

你需要记住Verilog描述形式
需要记住，门级描述的输出和数据流描述的连续赋值语句的左值，必须是线网类型，所以必须使用默认的输出端口

1.2 行为级描述

行为级描述，输出端口类型应该使用output reg OUT，使用reg类型。

因为过程赋值语句的左值必须是寄存器类型

ANSI C风格的描述如下

module choose_4to1(
    input d0,d1,d2,d3,
    input add1,add0,
    output reg out	// 注意输出端口的设定
    );
    
    
endmodule

你也可以将输出端口初始化output reg out = 0

另外一种端口风格，但是不推荐

module choose_4to1(d0,d1,d2,d3,add1,add0,out);
    input d0,d1,d2,d3;
    input add1,add0;
    // 以下两条语句才能将out声明为reg类型的输出端口
    output out;
    reg out;
    
    
endmodule

2 三种描述方式的整体架构

就像盖房子那样，同样是楼房，使用不同的材料，建造的方式不同，速度也不同。

下面我对这几种描述进行一个近似比喻：

• 门级描述：手里只有基本材料，需要先烧制砖头再盖房子
• 数据流描述：已经有了现成的砖头，只需要将其以合理的方式组合起来
• 行为级描述：已经有了集成的房子，只需要拼接起来，就像火神山医院那样

2.1 门级描述

门级原语：and、or……

门级描述与门级原语为基本单元

2.2 数据流描述

连续赋值语句：assign

数据流描述以连续赋值语句为基本单元

2.3 行为级描述

结构化过程语句：initial和always

行为级描述以结构化过程语句为基本单元

2.4 补充：独立的语句

独立的语句指的是

• 输入输出端口的声明，特别的，reg类型输出端口可以定义的时候初始化，但是输入端口不允许

module Example (
	input a,b,
	output reg OUT = 0	//【这里是关键点！】
	);
	
	<其他内容>
endmodule

• 内部线网的设定，可以在定义的时候初始化：wire a = 1;
• 内部变量的声明，可以在定义的时候初始化：reg b = 0;

2.5 小结

1. 门级描述：输出部分必须是net类型，门级原语本质是模块实例调用，符合端口连接规则
2. 数据流描述：左值必须是net类型，右值无要求
3. 行为级描述：左值必须是reg类型，右值无要求，这里的重点是过程赋值语句的要求，因为它是行为描述的基本单元，就像C语言的变量那样。

3 理解三种描述方式的本质

3.1 门级描述

门级描述，使用门级原语对硬件设计进行描述，它直接反应了逻辑门直接的关系，更加接近底层，接近硬件。

3.2 数据流描述

数据流描述，描述了输出数据与输入数据之间的逻辑关系，通过逻辑表达式来建立输入输出数据的联系。

逻辑表达式可以理解为对硬件设计功能的数学表达形式。

3.3 行为级描述

行为级描述，直接描述硬件设计所能实现的功能，相当于：设计者告诉软件需要实现怎样的功能，由软件自动生成其门机描述。当然，没有那么智能。

4 理解不同抽象层级描述方式与功能设计之间的联系

此处，我将会以1位四选一数据选择器的设计为例

4.1 需求分析 & 行为级描述

1. 输入四个数据，从四个里面选择一个：d0,d1,d2,d3
2. 通过地址控制选择哪个：s1,s0

其行为描述是：

1. 对于输入的数据
2. 如果地址是00，则输出d0
3. 否则，如果地址是01，则输出d1
4. 否则，如果地址是10，则输出d2
5. 否则，如果地址是11，则输出d3
6. 否则，输出x

设计块如下：
if语句版本的设计块

module mux_4to1 ( 
    input d0,d1,d2,d3,
    input s1,s0,
    output reg out = 0
    );
    
    always @(*)
    begin
        if ({s1,s0} == 2'b_00)
            out = d0;
        else if ({s1,s0} == 2'b_01)
            out = d1;
        else if ({s1,s0} == 2'b_10)
            out = d2;
        else if ({s1,s0} == 2'b_11)
            out = d3;
        else
            out = 1'bx;
    end
    
endmodule

case语句版本的设计块

module mux_4to1 (
    input d0,d1,d2,d3,
    input s1,s0,
    output reg out = 0
    );
    
    always @(*)
    begin
        case({s1,s0})
            2'b00: out = d0;	// 也可写成【2'd0】
            2'b01: out = d1;	// 【2'd1】
            2'b10: out = d2;	// 甚至于你可以直接写【2】
            2'b11: out = d3;	// 【3】
            default: $display("错误！\n"); // 千万别忘记这个
        endcase
    end

endmodule

激励块如下：

module test4;

    reg d0 = 0,d1 = 1,d2 = 0,d3 = 1;
    reg s1,s0;
    wire out;
    
    mux_4to1 MT0 (d0,d1,d2,d3,s1,s0,out);
    
    initial
        $monitor("s1 = %b,  s0 = %b,  out = %b\n",s1,s0,out);
    
    initial
    begin
        #1 s1 <= 0; s0 <= 0;
        
        #1 s1 <= 0; s0 <= 1;
        
        #1 s1 <= 1; s0 <= 0;
        
        #1 s1 <= 1; s0 <= 1;
    end
    
endmodule

输出结果为：

事实上，行为级描述，不仅仅可以适用于1位位宽，更可以直接设置为32位位宽，这是其他描述方式做不到的，他们需要将1位的模块组合成32位的。

4.2 求逻辑表达式 & 数据流描述

1. 列出真值表
2. 求逻辑表达式:
   out = (~s1 & ~s0 & d0) | (~s1 & s0 & d1) | (s1 & ~s0 & d2) | (s1 & s0 & d3)

逻辑表达式，表示了输出与输入直接的逻辑关系，可以直接使用数据流描述。

事实上，只有你写得出逻辑表达式，就能使用数据流描述，但是，对于复杂问题往往很难将其逻辑表达式写清楚，并且当今时代有很多集成的模块，完全可以直接调用他们，而没有必要再自己设计，这一点我在后面再进行阐述。

设计块：
逻辑表达式版本的设计块

module mux_4to1(
    input d0,d1,d2,d3,
    input s1,s0,
    output out
    );
    
    assign out = (~s1 & ~s0 & d0) | 
                 (~s1 & s0 & d1)  | 
                 (s1 & ~s0 & d2)  | 
                 (s1 & s0 & d3);
    
endmodule

条件操作符版本的设计块，这个其实已经和行为级描述类似了。

module mux_4to1 (
    input d0,d1,d2,d3,
    input s1,s0,
    output out
    );
    
    assign out = s1? (s0? d3:d2):(s0? d1:d0);
    
endmodule

激励块与仿真结果和行为级一样，不再赘述。

4.3 画逻辑电路图 & 门级描述

1. 选择器件
2. 根据逻辑表达式画出逻辑电路图

此处选用基本的逻辑门作为器件。

相比之下，门级描述显得非常复杂，这里不再赘述，请读者自行查阅资料。

当今时代也很少有人再使用门级描述。

4.4 小结

当今时代人们会使用数据流描述和行为级描述，对于某些必要的部分使用门级描述，但是这种情况非常少。

通常我们使用的是RTL级描述，也就是数据流和行为级描述的混合描述方式。

我们来观察两条线对比以下

需求分析___行为级描述

逻辑表达式___数据流描述

逻辑电路图___门级描述

结果显而易见，行为级描述更加简单，提高了效率，但是，由于行为级描述目前没有足够智能，有些事情不能完成，因此我们依然需要数据流描述，但是门级描述几乎已经不需要了。

5 激励块的特殊设置

首先，采用分治思想，将激励块和设计块分开看，激励块的输出显示结果，是由激励信号的类型决定的，在符合端口对接规则的前提下，需要对激励信号的数据类型加以修饰，以达到验证输出结果的目的。

目前我们的激励块是这样是：

reg d0 = 0,d1 = 1,d2 = 0,d3 = 1;
reg s1,s0;
wire out;

如果，我们需要输入的是有符号数，则可以改为reg signed d0;或者integer d0;或者real d0;，请记住，输入端口的reg类型，代表的是一组寄存器类型，而不单单是reg。

如果我们需要输出的结果显示为十进制的负数，则需要设置为wire signed out;，代表其是有符号数。

这也充分体现了开篇所说的：一切设计由需求决定。

6 善用科技黑箱：利用行为级描述和集成器件快速完成设计

科技黑箱就是其他设计者已经开发好的功能，你可以直接拿来使用，以提高开发效率。它也可以是C++中的STL库，Python的库等等。

同时，我想你也已经感受到三种描述方式在开发效率方面的差别，多多使用RTL级描述，会大大提高设计者的开发效率。

简而言之，就是把别人做好的东西直接拿来用，帮助你快速完成你设计的东西。