Verilog中跨模块调用的两种不同方式的优缺点讨论

在写Verilog TestBench，为了更方便更抽象地对底层模块内部的信号进行控制，经常会使用到跨模块调用的方式，这个就叫做Cross Module Reference，缩写为XMR。

本文就XMR的两种方式做介绍，涉及部分基础的Verilog 知识。

在TB当中，直接对DUT(Design under Test)的信号进行读写是很常见的操作。以一个简单的计数器例子为例：

定义一个模块名为a（取名比较随意），功能是带使能和异步复位的计数器，描述如下：

reg [31:0] cnt_r;

assign count = cnt_r;

always @ (posedge clk or posedge rst)
begin
if (rst)
cnt_r <= 'd0;
else if (en)
cnt_r <= count + 32'd1;
end

同时定义一个模块名为b，功能是带使能、置位和异步复位的计数器，描述如下：

reg [31:0] cnt_r;

assign count = cnt_r;

always @ (posedge clk or posedge rst)
begin
if (rst)
cnt_r <= 'd0;
else if (set)
cnt_r <= load_val;
else if (en)
cnt_r <= count + 32'd1;
end

同时创建一个wrapper将模块b例化，并在TB中完成简单的测试工作：

`include "macros.v"

module tb;

reg clk ;
reg rst ;
reg en ;
reg set ;

wire [31:0] a_cnt;
wire [31:0] b_cnt;
wire [31:0] b_cnt1;

initial begin
clk = 0;
rst = 1;
en = 0;
set = 0;
#100
rst = 0;
#100
en = 1;
#100
set = 1;
#20
set = 0;
#100
$finish;
end

always #10 clk = ~clk;

initial
forever begin
#20
$display("Time: %t A_CNT: %d B_CNT:%d", $time, `A_MODULE_INST.count, `B_MODULE_NAME.count);
end

a a_inst(
.clk(clk) ,
.rst(rst) ,
.en (en) ,

.count (a_cnt)
);

b_wrapper b_inst(
.clk(clk) ,
.rst(rst) ,

.set(set) ,
.load_val(32'd20),
.en(en) ,

.count (b_cnt)
);

`ifdef B_MULT
b_wrapper b_inst_1(
.clk(clk) ,
.rst(rst) ,

.set(set) ,
.load_val(32'd40),
.en(en) ,

.count (b_cnt1)
);

`endif

endmodule

a和b模块的XMR调用通过宏定义控制，在tb的display函数中使用。宏定义内容如下：

`define A_MODULE_INST tb.a_inst

`define B_MODULE_NAME b

//`define B_MULT

所以整体的层次结构如下：

• tb
  • a_inst (module a)
  • b_inst (module b_wrapper)
    • b_inst (module b)
  • b_inst_1 (module b_wrapper if define B_MULT)
    • b_inst (module b)

Hierarchical Reference

可以看到，a模块的XMR方式是从顶层的tb开始，根据Instance name找到的例化的a模块；这种根据结构和Instance Name跨模块调用的方式叫做Hierarchical Reference， 这也是最常见的方式。

优缺点如下：

1. 在Verilog的一个module中，Instance Name是唯一的，所以该种方式指向性很明确，支持精细化地控制同一个module例化的不同模块信号。
2. 但如果层次结构发生变化，或者Instance Name改变，会爆出Cross Module Reference Error。

Upwards Name Referencing

b模块的XMR方式则是直接定义了b模块的模块名，然后verilog开始从定义的顶层开始查找，没找到就进入下一层继续寻找，直到找到唯一的那个模块名匹配的为止：

它的优缺点与Hierarchical Reference正好相反：

1. 不用担心层次结构和Instance Name的变化会影响跨模块调用。
2. 使用该方式需要保证唯一性，不然也会爆出Cross Module Reference Error。

实验结果如下：

在未定义B_MULT时：

定义B_MULT时：

总结：

Hierarchical Reference方式严谨但无灵活性，操作上可实现精细化控制，支持多模块；Upwards Name Referencing方式灵活，但只支持单模块，应用场景限制高。

所以，这也是Hierarchical Reference应用广泛的原因吧，如果不是最近犯错，我可能都不会注意到另一种XMR方式。