RTL和门级建模

数字硬件建模SystemVerilog(一)-RTL和门级建模

 

接下来系列文章会有很多在Verilog中知识点有被提及，关于这两者关系，请查看《谈谈Verilog和SystemVerilog简史，FPGA设计是否需要学习SystemVerilog》。

本文定义了通常用于描述使用SystemVerilog对硬件功能进行建模的详细级别的术语。

抽象

SystemVerilog能够在许多不同的细节级别（称为“抽象级别”）对数字逻辑进行建模。抽象意味着缺乏细节。数字模型越抽象，它所代表的硬件的细节就越少。

图1-3显示了SystemVerilog中可用的建模抽象的主要级别的详细模型

 

图1-3:SystemVerilog建模抽象级别

门级建模

SystemVerilog支持使用门级原语对数字逻辑进行建模。数字逻辑门是一个非常接近硅（silicon）实现的详细模型。

SystemVerilog提供了几个内置的门级原语，并允许工程师定义其他原语，这些原语是指用户定义的原语（UDP）。SystemVerilog中的内置原语列在表1-1中：

表1-1:SystemVerilog门级原语

原语	描述
与and	具有2个或更多输入和1输出的与门
与非门nand	具有2个或更多输入和1输出的与非门
或or	具有2个或更多输入和1个输出的或门
或非门nor	具有2个或更多输入和1输出的或非门
异或门xor	具有2个或更多输入和1输出的异或门
异或非门是xnor	具有2个或更多输入和1输出的异或非门
缓冲器buf	具有1个输入和1或更多输出的缓冲门
反向门not	具有1输入和1或更多输出的反向门
buffif0	三态缓冲门，带“1输入*1输出”和1个激活低启用
bufif1	具有1输入、1输出和1激活高启用的三态缓冲门
notif0	带1输入、1输出和1低激活的三态反向缓冲门
notif1	带1输入、1输出和1高激活的三态反向缓冲门

SystemVerilog还为ASIC和FPGA库开发人员提供了通过定义用户定义原语（UDP）添加到内置原语集的方法。UDP以表格格式定义，表格中的每一行列出一组输入值和结果输出值。组合逻辑和顺序逻辑（如触发器）原语都可以定义。

图1-4显示了带进位的1位加法器的门级电路。示例1-1显示了“使用原语对电路建模的SystemVerilog代码”。

 

图1-4：带进位的1位加法器，用逻辑门表示示例1-1；带进位的1位加法器的SystemVerilog门级模型

`begin_keywords 

"1800-2012"

module gate_adder

(input  wire a, b, ci,

output wire sum, co

);

 timeunit 1ns; timeprecision 100ps;

 wire n1, n2, n3;

 xor            g1 (n1, a, b);

 xor 

#1.3       g2 (sum, n1, ci);

 and            g3 (n2, a, b);

 and            g4 (n3, n1, ci);

 or  

#(1.5,1.8) g5 (co, n2, n3);

endmodule: gate_adder

`end_keywords

门级原语的语法非常简单：

 <>

type

> 〈instance name> (, );

许多门级原语可以具有可变数量的输入。例如，and原语可以表示2输入、3输入或4输入与门，如下所示：

and i1{o1，a，b）；//2-输入与门

and i2（o2，a，b，c}；//3-输入与门

and i3{o3，a，b，c，d）；//4-输入与门

原语的实例名称虽然是可选的，但它是良好的代码注释，它使维护代码和将SystemVerilog源代码与示意图或设计的其他表示形式联系起来变得容易。实例名称是用户定义的，可以是任何合法的SystemVerilog名称。

门级原语可以用传播延迟来建模。如果未指定延迟，则门输入上的更改将立即反映在门输出上。延迟是一个表达式，可以是一个简单的值，如示例1-1中的实例g2，也可以是一个更复杂的表达式，如实例g5。上述代码中的栅极g2的传播延迟为13ns，这意味着当其中一个栅极输入上发生转换时，在栅极输出sum改变之前，这个时间是13ns。门g5将传播延迟分为不同的延迟，用于输出上的上升和下降跃迁。如果co值从0转换为l，延迟为1ns。如果co正在从1转换为0，更改延迟为1.8ns。

门级模型能够以高精度表示实际硅的传播延迟。逻辑门的功能反映了将在硅中使用的晶体管组合的功能，并且门延迟可以反映通过这些晶体管的传播延迟。ASIC和FPGA供应商使用这种精度对特定设备的详细行为进行建模。

门级模型通常由软件工具或专门从事库开发的工程师生成。在RTL级别设计的设计工程师很少（如果有的话）使用门级原语建模。相反，RTL设计者使用门级模型的网表，其中网表是通过合成RTL模型生成的。网表级模型由目标ASIC或FPGA设备的供应商提供。关于门级建模的内容比本文中介绍的要多得多。

开关级建模。SystemVerilog还可以使用开关原语（如pmos、nmos和cmos）、电阻开关原语（如rpmos、cnmos和rcmos）和电容网络在晶体管级对数字电路建模。这种级别的建模可以很好地表示实际的硅实现。然而，由于这些结构只能仿真数字行为，因此很少使用。晶体管、电阻器和电容器都是仿真器件。数字仿真不能准确反映晶体管的行为。开关级建模通常不在SystemVerilog的FPGA设计流程中使用。

RTL模型

一个更抽象的建模级别——也是系列文章的重点——是寄存器传输级别(Register Transfer Levels)，或RTL。此级别的建模使用编程语句和运算符表示数字功能。RTL模型是功能模型，不包含有关如何在硅中实现该功能的详细信息。由于这种抽象，复杂的数字功能可以比在详细的门级更快速、更简洁地建模。RTL模型的仿真速度也大大快于门级和开关级模型，这使得验证更大、更复杂的设计成为可能。SystemVerilog为RTL建模提供了两种主要结构：连续赋值（continuous assignments）和always程序块。

连续赋值以assign关键字开始，可以表示简单的组合逻辑。前面的示例1-1说明了1-bit加法器的门级模型。示例1-2显示了如何通过使用连续赋值在更抽象的层次上建模相同的1位加法器功能：

`begin_keywords 

"1800-2012"

module rtl_adder

(input  logic a, b, ci,

 output logic sum, co

);

  timeunit 1ns/1ns;

  assign {co,sum} = a + b + ci;

endmodule: rtl_adder

`end_keywords

 

示例1-2：带进位的1位加法器的SystemVerilog RTL模型

RTL建模的一个优点是代码更易于自文档化（self-documenting）。查看示例1-1中的门级模型并识别模型所代表的内容可能很困难，尤其是在没有注释和有意义的名称的情况下。但是，查看示例1-2中RTL模型中的代码并认识到该功能是一个加法器要容易得多。

RTL建模的另一个强大优势是能够处理矢量和数据包。矢量是一个大于一位宽的信号。开关级和门级建模的操作一1位宽的信号，在SystemVerilog中称为标量信号。要对32位加法器进行建模，需要对每个位上运行的开关或门进行建模，这与实际硅中的操作相同。上述示例1-2中的连续赋值语句可以通过改变信号的声明，对任意大小的加法器进行建模。

更复杂的功能可以使用程序块建模。程序块封装了一行或多行编程语句，以及有关何时执行这些语句的信息。RTL级别使用四种类型的always过程：always、always_comb、always_ff和always_latch。

以下示例简明地表示具有寄存器输出的32位加法器/减法器：

`begin_keywords 

"1800-2012"

module rtl_adder_subtracter

(input  logic        clk,   // 1-bit scalar input

 input  logic        mode,  // 1-bit scalar input

 input  logic [31:0] a, b,  // 32-bit vector inputs

 output logic [31:0] sum    // 32-bit vector output

);

  timeunit 1ns/1ns;

  always_ff @(posedge clk) begin 

    

if

 (mode == 0) sum <= a + b;

    

else

           sum <= a - b;

  end

endmodule: rtl_adder_subtracter

`end_keywords

示例1-3:32位加法器/减法器的SystemVerilog RTL模型

在一个典型的仿真和综合设计流程中，工程师们将花费大部分时间在RTL级别建模和验证RTL功能。

行为级和事务级建模

SystemVerilog过程块可用于在比RTL更高的抽象级别上建模，该抽象通常被称为行为模型（也称为总线功能或算法模型）。行为模型可能看起来与RTL模型非常相似，因为RTL和行为模型都是程序块。行为模型在两个方面与RTL有所不同。

高级抽象是事务级建模。事务模型通常用于验证代码中，并且通常使用SystemVerilog的面向对象编程结构进行建模。

RTL综合编译器无法综合抽象的行为和事务级别，本系列中也没有讨论.

•RTL模型必须遵守严格的语言限制，才能由RTL综合编译器进行合成。行为模型可以使用完整的SystemVerilog语言。

•RTL程序块在单个时钟周期内执行其编程语句，如果是组合逻辑，则在零周期内执行。行为模型过程块可以使用任意数量的时钟周期来执行其语句。