Verilog 模块与端口

结构建模方式有 3 类描述语句： Gate（门级）例化语句，UDP (用户定义原语)例化语句和 module (模块) 例化语句。本次主要讲述使用最多的模块级例化语句。

1. 模块

模块是 Verilog 中基本单元的定义形式，是与外界交互的接口。

模块格式定义如下：

module module_name 
#(parameter_list)
(port_list) ;
            Declarations_and_Statements ;
endmodule

模块定义必须以关键字 module 开始，以关键字 endmodule 结束。

模块名，端口信号，端口声明和可选的参数声明等，出现在设计使用的 Verilog 语句（图中 Declarations_and_Statements）之前。

模块内部有可选的 5 部分组成，分别是变量声明，数据流语句，行为级语句，低层模块例化及任务和函数，如下图表示。这 5 部分出现顺序、出现位置都是任意的。但是，各种变量都应在使用之前声明。变量具体声明的位置不要求，但必须保证在使用之前的位置。

前面大多数仿真代码都会用到 module 声明，大家可以自行参考，这里不再做具体举例。下面介绍端口时，再做详细的仿真。

2. 端口

端口是模块与外界交互的接口。对于外部环境来说，模块内部是不可见的，对模块的调用只能通过端口连接进行。

端口列表

模块的定义中包含一个可选的端口列表，一般将不带类型、不带位宽的信号变量罗列在模块声明里。下面是一个 PAD 模型的端口列表：

module pad(
  DIN, OEN, PULL,
  DOUT, PAD);

一个模块如果和外部环境没有交互，则可以不用声明端口列表。例如之前我们仿真时 test.sv 文件中的 test 模块都没有声明具体端口。

module test ;  //直接分号结束
  ......     //数据流或行为级描述
endmodule

端口声明

(1) 端口信号在端口列表中罗列出来以后，就可以在模块实体中进行声明了。

根据端口的方向，端口类型有 3 种： 输入（input），输出（output）和双向端口（inout）。

input、inout 类型不能声明为 reg 数据类型，因为 reg 类型是用于保存数值的，而输入端口只能反映与其相连的外部信号的变化，不能保存这些信号的值。

output 可以声明为 wire 或 reg 数据类型。

上述例子中 pad 模块的端口声明，在 module 实体中就可以表示如下：

//端口类型声明
input        DIN, OEN ;
input [1:0]  PULL ;  //(00,01-dispull, 11-pullup, 10-pulldown)
inout        PAD ;   //pad value
output       DOUT ;  //pad load when pad configured as input

//端口数据类型声明
wire         DIN, OEN ;
wire  [1:0]  PULL ;
wire         PAD ;
reg          DOUT ;

(2) 在 Verilog 中，端口隐式的声明为 wire 型变量，即当端口具有 wire 属性时，不用再次声明端口类型为 wire 型。但是，当端口有 reg 属性时，则 reg 声明不可省略。

上述例子中的端口声明，则可以简化为：

//端口类型声明
input        DIN, OEN ;
input [1:0]  PULL ;     
inout        PAD ;     
output       DOUT ;    
reg          DOUT ;

(3) 当然，信号 DOUT 的声明完全可以合并成一句：

output reg      DOUT ;

(4) 还有一种更简洁且常用的方法来声明端口，即在 module 声明时就陈列出端口及其类型。reg 型端口要么在 module 声明时声明，要么在 module 实体中声明，例如以下 2 种写法是等效的。

3. inout 端口仿真

对包含有 inout 端口类型的 pad 模型进行仿真。pad 模型完整代码如下：

module pad(
    //DIN, pad driver when pad configured as output
    //OEN, pad direction(1-input, o-output)
    input        DIN, OEN ,
    //pull function (00,01-dispull, 10-pullup, 11-pulldown)
    input [1:0]  PULL ,
    inout        PAD ,
    //pad load when pad configured as input
    output reg   DOUT
    );
 
    //input:(not effect pad external input logic), output: DIN->PAD
    assign       PAD = OEN? 'bz : DIN ;
 
    //input:(PAD->DOUT)
    always @(*) begin
        if (OEN == 1) begin //input
            DOUT   = PAD ;
        end
        else begin
            DOUT   = 'bz ;
        end
    end
 
    //use tristate gate in Verilog to realize pull up/down function
    bufif1  puller(PAD, PULL[0], PULL[1]);
 
endmodule

testbench代码如下：

`timescale 1ns/1ns
 
module test ;
    reg          DIN, OEN ;
    reg [1:0]    PULL ;
    wire         PAD ;
    wire         DOUT ;
 
    reg          PAD_REG ;
    assign       PAD = OEN ? PAD_REG : 1'bz ; //
 
    initial begin
        PAD_REG   = 1'bz ;        //pad with no dirve at first
        OEN       = 1'b1 ;        //input simulation
        #0 ;      PULL      = 2'b10 ;   //pull down
        #20 ;     PULL      = 2'b11 ;   //pull up
        #20 ;     PULL      = 2'b00 ;   //dispull
        #20 ;     PAD_REG   = 1'b0 ;
        #20 ;     PAD_REG   = 1'b1 ;
 
        #30 ;     OEN       = 1'b0 ;    //output simulation
                  DIN       = 1'bz ;
        #15 ;     DIN       = 1'b0 ;
        #15 ;     DIN       = 1'b1 ;
    end
 
    pad     u_pad(
        .DIN     (DIN) ,
        .OEN     (OEN) ,
        .PULL    (PULL) ,
        .PAD     (PAD) ,
        .DOUT    (DOUT)
    );
 
    initial begin
        forever begin
            #100;
            if ($time >= 1000)  $finish ;
        end
    end
 
endmodule // test

仿真结果如下：

仿真结果分析如下：

当 PAD 方向为 input 且没有驱动时，pull 功能能通过 PAD 的值而体现。

前 60ns 内，PAD 的驱动端 PAD_REG 为 z, 可认为没有驱动，所以开始时 PULL=2, 下拉，PAD值为 0； 20ns 时，PULL=3，上拉，PAD 值为 1；

40ns 时，PULL=0，没有 pull 功能，PAD 值输入为 z。

60ns~100ns 后，PAD 的驱动端 PAD_REG 开始正常驱动。此时相当于 PAD 直接与 PAD_REG 相连，所以 PAD 值与其驱动值保持一致。

以上分析，PAD 方向都是 input，所有输出端 DOUT 与 PAD 值保持一致。

当 PAD 方向为 output 时，即 120ns 时 OEN= 0，PAD 值与输入端 DIN 值保持一致。

在一个模块中引用另一个模块，对其端口进行相关连接，叫做模块例化。模块例化建立了描述的层次。信号端口可以通过位置或名称关联，端口连接也必须遵循一些规则。1. 命名端口连接：这种方法将需要例化的模块端口与外部信号按照其名字进行连接，端口顺序随意，可以与引用 module 的声明端口顺序不一致，只要保证端口名字与外部信号匹配即可。