使用Verilog/SystemVerilog硬件描述语言练习数字硬件设计

HDLBits: 在线学习 SystemVerilog（五）-Problem 19-23

 

HDLBits 是一组小型电路设计习题集，使用 Verilog/SystemVerilog 硬件描述语言 (HDL) 练习数字硬件设计~

网址如下：

https://hdlbits.01xz.net/

关于HDLBits的Verilog实现可以查看下面专栏：

https://www.zhihu.com/column/c_1131528588117385216

缩略词索引：

SV:SystemVerilog

Problem 19-Module

从这题开始会接触到一个“熟悉的陌生人”-模块module

截止目前，我们已经对 Verilog 中模块这一概念建立了初步的印象：模块是一个电路，通过输入输出端口和外部的电路联系。无论多大，多复杂的数字电路都是由一个个模块以及其他组成部分（比如 assign 赋值语句以及 always 过程块）互相连接所构成的。在一个模块中可以例化下一级的模块，这就形成了层级的概念（hierarchy）。

模块例化的基本语法 ：模块名 实例名（定义连接 port 的信号）;

比如 mod_a instance1 ( wa, wb, wc );

模块信号连接的三种方式：

在实例化模块时，使用Verilog时有两种常用的方式来进行模块端口的信号连接：按端口顺序以及按端口名称连接端口。

按端口顺序，mod_a instance1 ( wa, wb, wc ); wa, wb, wc 分别连接到模块的 第一个端口（in1），第二个端口（in2）以及第三个端口（out）。这里所谓的端口顺序指的是模块端口的定义顺序。这种方式的弊端在于，一旦端口列表发生改变，所有模块实例化中的端口连接都需要改变。

按端口名称，mod_a instance2 ( .out(wc), .in1(wa), .in2(wb) ); 在这种方式中根据端口名称指定外部信号的连接。这样一来就和端口声明的顺序完全没有关系。一旦模块出现改动，只要修改相应的部分即可。实际上，一般都使用这种方式来进行模块实例化。

这里建议初学者统一使用按端口名称进行模块例化，避免不必要的功能错误。

题目说明

在上面已经定义了一个模块mod_a，请例化该模块，下图时模块mod_a定义。

图片来自 HDLBits

这个题目的核心就是将上面的图片里的模块mod_a进行例化。

模块端口声明

 

module top_module ( input a, input b, output out );

 

题目解析

这个题目重点是模块例化，可以使用上面介绍的任何一种方式（按端口顺序以及按端口名称连接端口）。

 

module top_module ( input logic a, input logic b, output wire logic out );
    
    mod_a m1 (
        .in1(a),
        .in2(b),
        .out(out)
    );

endmodule

 

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 20-Module_pos

题目说明

这道题也和上一题一样，给出了一个模块mod_a，该模块按顺序具有 2 个输出和 4 个输入。必须将6个端口按位置顺序与顶层的端口out1，out2，a，b，c和d相连接。

模块端口声明

 

module top_module ( 
    input a, 
    input b, 
    input c,
    input d,
    output out1,
    output out2
);

 

题目解析

这道题难度不大，和上一题类似，加大对模块例化的理解。

 

module top_module ( 
    input logic a,b,c,d, 
    output wire logic out1,out2
);
       mod_a m1 (
        out1,
        out2,
        a,
        b,
        c,
        d
    );

endmodule

 

在本题中对于给出的模块来说，我们并不知道mod_a这个模块的端口名是什么，所以对于本题来说，只能按照位置的顺序来连接。

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 21-Module_name

题目说明

这道题和上一题一样，给出了一个名为mod_a的模块，该模块按某种顺序具有2个输出和4个输入。必须将6个端口通过按名字的方法与顶层的端口相连接。

图片来自 HDLBits

mod_a的定义如下：

 

module mod_a ( output out1, output out2, input in1, input in2, input in3, input in4);

图片来自 HDLBits

 

模块端口声明

 

module top_module ( 
    input a, 
    input b, 
    input c,
    input d,
    output out1,
    output out2
);

 

题目解析

本题考查的和上一题一样，只不过上一题没有给出mod_a的端口定义，这一题给出了端口定义，所以我们需要使用按端口名称来例化模块。

 

module top_module ( 
    input logic a, 
    input logic b, 
    input logic c,
    input logic d,
    output wire logic out1,
    output wire logic out2
);
  
    mod_a m1 (
        .out1(out1),
        .out2(out2),
        .in1(a),
        .in2(b),
        .in3(c),
        .in4(d)
    );
endmodule

 

这道题有人觉得和上一道题一样，也是同样使用上一道题进行解答，但是会报错，这是因为出题者考虑到了这种问题，所以题目给出的out1, out2, a, b, c, d不是mod_a正确的顺序，只能按照名称去例化。

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 22-Module_shift

题目说明

给定一个名为my_dff（实现 D 触发器功能）模块，该模块具有两个输入和一个输出。实例化三次，将它们链接在一起制作一个长度为 3 的移位寄存器。clk端口需要连接到所有实例。

提供的模块是：

 

module my_dff ( input clk, input d, output q );

 

请注意，要建立内部连接，需要声明一些wire。wire和模块例化时候命名要小心：名称必须是唯一的。

图片来自 HDLBits

问题的核心就是上面的图片，例化和连线需要注意。

模块端口声明

 

module top_module ( input clk, input d, output q );

 

题目解析

这个题目还是模块例化，需要理解例化的概念。需要将第一个例化的输出，作为第二个例化模块的输入，以此类推。

 

module top_module ( input logic clk, 
                    input logic d, 
                    output logic q 
                  );

    wire logic q0,q1;
    
    my_dff f1 (
        .clk(clk),
        .d(d),
        .q(q0)
    );
    
    my_dff f2 (
        .clk(clk),
        .d(q0),
        .q(q1)
    );
    
    my_dff f3 (
        .clk(clk),
        .d(q1),
        .q(q)
    );
    
endmodule

 

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 23-Module shift8

本题是上一题的扩展。使用向量作为端口的连线。正如Verilog的语法一样，端口的向量长度不必与连接到它的导线匹配，但这将导致向量的零填充或截断。在本练习中不使用具有不匹配的向量连接。

题目说明

给出了一个名为my_dff8的模块，包含两个输入和一个输出(实现一个8bit的D触发器)。请实例化三次，并将它们连接在一起，形成一个长度为3的8bit移位寄存器。此外，再写出一个4选1多路复用器(未提供模块模型)，根据输入的sel[1:0]选择要输出的内容：输入D的值，在第一个D触发器之后的值，第二个或第三个D触发器之后的值。(可以说sel选择的是输入延迟的的周期数，0~3个时钟周期不等。)

图片来自 HDLBits

这个题目的核心就是将上面的图片里的模块my_dff8进行例化。

模块端口声明

 

module top_module ( 
    input clk, 
    input [7:0] d, 
    input [1:0] sel, 
    output [7:0] q 
);

 

题目解析

这个题目重点是模块例化，和上一题差不多，注意一下向量定义及端口连接即可。

 

module top_module ( 
    input clk, 
    input logic [7:0] d, 
    input logic [1:0] sel, 
    output logic [7:0] q 
);
    logic [7:0]q0,q1,q2;
    
    my_dff8 d0 (
        .clk(clk),
        .d(d),
        .q(q0)
    );

    my_dff8 d1 (
        .clk(clk),
        .d(q0),
        .q(q1)
    );

    my_dff8 d2 (
        .clk(clk),
        .d(q1),
        .q(q2)
    );
    
    always_comb begin
        unique case(sel)
      2'b00:
                q = d;
            2'b01:
                q = q0;
            2'b10:
             q = q1;
            2'b11:
             q = q2;
            default:
                q = 2'bzz;
        endcase
    end
    
    
endmodule

 

这题中，涉及到了SV的组合逻辑设计，基本语法和Verilog类似，主要涉及到了一个unique决策修饰符，使用unique会指示综合编译器可以并行计算case项。这部分内容会在SV的系列教程里继续展开描述。

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

总结

今天的几道题就结束了，主要考察模块例化问题~

最后我这边做题的代码也是个人理解使用，有错误欢迎大家批评指正，祝大家学习愉快~　　

      审核编辑：彭静