[文档].艾米电子 - 多路选择器与多路分解器，Verilog
主要讨论多路选择器和多路分解器的写法及其综合和仿真结果，同时也讨论了如何消除因选项不是2^n而产生的锁存器。
对读者的假设
已经掌握：
内容
1 多路选择器Multiplexer
此处所说的多路选择器，为组合逻辑电路中的多路多路选择器：多路输入，一路输出。
1.1 不带优先级的多路选择器
1.1.1 使用case语句描述
此处以4选1多路选择器为例：
代码1.1 4选1多路选择器（可综合）
`timescale 1ns/1ns
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input iD,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
2'b11 : oQ = iD;
endcase
endmodule
第10~16行，使用case语句来实现4选1多路选择器。因为是2^n个case选项，所以此处没有使用default语句。下面我会使用一个3选1的多路选择器来说明default的作用。
always @ (*)
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
2'b11 : oQ = iD;
endcase
图1.1 4选1多路选择器的RTL视图
由图1.1所示，在2^n个case选项时，没有加上default语句，其综合的结果为并行的MUX。
代码1.2 4选1多路选择器testbench（不可综合，仅用于仿真）
`timescale 1ns/1ns module multiplexer_tb; reg i_a, i_b, i_c, i_d; reg [1:0] i_sel; wire o_q; initial begin i_a = 1; i_b = 0; i_c = 0; i_d = 0; #20 i_a = 1; i_b = 0; i_c = 1; i_d = 1; #20 i_a = 0; i_b = 0; i_c = 1; i_d = 0; #20 i_a = 1; i_b = 1; i_c = 1; i_d = 0; end initial begin i_sel = 2'b00; #20 i_sel = 2'b01; #20 i_sel = 2'b10; #20 i_sel = 2'b11; #20 $stop; end multiplexer multiplexer_inst( .iA (i_a), .iB (i_b), .iC (i_c), .iD (i_d), .iSel (i_sel), .oQ (o_q) ); endmodule
第3~5行声明了一些变量，使用的标准为：映射为所需测试模块的输入信号，即需要使用initial或always来给出激励，因此多声明为reg类型；而映射为所需测试模块的输出信号，不需要激励，声明为wire类型即可。
reg i_a, i_b, i_c, i_d; reg [1:0] i_sel; wire o_q;
第21行，$stop表示仿真在此时刻终止。更多$打头的函数，请参考Verilog语法书。
#20 $stop;
图1.2 4选1多路选择器的功能仿真波形
图1.3 4选1多路选择器的门级仿真波形
由图1.2和图1.3所示，在2^n个case选项时，没有加上default语句，其功能仿真和门级仿真保持一致。
1.1.2 怎么多出个锁存器？
此处以3选1多路选择器为例。
代码1.3 3选1多路选择器1（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
endcase
endmodule
图1.4 3选1多路选择器1的RTL视图
如图1.4所示，综合出来了锁存器。下面我们讨论如何消除这个锁存器。
方法1 加(* full_case *)修饰
代码1.4 3选1多路选择器2（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
(* full_case *) case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
endcase
endmodule
第10行，加(* full_case *)修饰，强制综合成full case。
(* full_case *) case (iSel)
图1.5 3选1多路选择器2的RTL视图
方法2 使用default语句
代码1.5 3选1多路选择器3（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
default: oQ = 1'b0;
endcase
endmodule
第14行，加上default语句，来描述缺省动作。
default: oQ = 1'b0;
图1.6 3选1多路选择器3的RTL视图
方法3 在敏感列表后，赋初值
代码1.6 3选1多路选择器4（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
begin
oQ = 1'b0;
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
endcase
end
endmodule
注意第9~17，在代码1.3的基础上，于敏感列表之后，加入oQ的初值。
always @ (*)
begin
oQ = 1'b0;
case (iSel)
2'b00 : oQ = iA;
2'b01 : oQ = iB;
2'b10 : oQ = iC;
endcase
end
图1.7 3选1多路选择器4的RTL视图
方法123的比较
代码1.7 3选1多路选择器的testbench（不可综合，仅用于仿真）
`timescale 1ns/1ns module multiplexer_tb; reg i_a, i_b, i_c; reg [1:0] i_sel; wire o_q; initial begin i_a = 0; i_b = 0; i_c = 0; #20 i_a = 1; i_b = 0; i_c = 0; #20 i_a = 1; i_b = 0; i_c = 1; #20 i_a = 0; i_b = 0; i_c = 1; #20 i_a = 1'bx; i_b = 1'bx; i_c = 1'bx; end initial begin i_sel = 2'bxx; #20 i_sel = 2'b00; #20 i_sel = 2'b01; #20 i_sel = 2'b10; #20 i_sel = 2'b11; #20 $stop; end multiplexer multiplexer_inst( .iA (i_a), .iB (i_b), .iC (i_c), .iSel (i_sel), .oQ (o_q) ); endmodule
图1.8 方法1的功能仿真波形
图1.9 方法1的门级仿真波形
由图1.8和图1.9所示，虽然方法1加了(* full_case *)修饰后，3选1多路选择器的综合结果没有产生锁存器，但是其功能仿真波形却当作锁存器来处理，而其门级仿真波形则是当作无关项来处理。即方法1，其前后仿真结果是不一致的。至于其他的特点，本文暂不讨论。想要了解更多full case的信息，请阅读参考2。
图1.10 方法2的功能仿真波形
图1.11 方法2的门级仿真波形
如图1.10和1.11所示，方法2使用了default语句，其前后仿真和综合的RTL视图一致。萧鸿森大哥提醒我们：正确的做法是，default指定输出0或者某个选项。
图1.12 方法3的功能仿真波形
图1.13 方法3的门级仿真波形
如图1.12和1.13所示，方法3在敏感列表后，赋初值也可以很好解决锁存器的问题。
1.1.3 结论
虽然方法123都可以解决锁存器的问题，但是：方法1的前后仿真结果不同；方法3的其他特点暂时没有研究。因此此处只推荐大家使用方法2，即要实现并行的mux，当case选项不是2^n个的时候，加上default指定输出0或某个选项是最安全的（虽然Verilog语法没有强制加入default）。
1.2 带优先级的多路选择器
1.2.1 使用if-else-if描述
此处以3选1多路选择器为例。
代码1.8 使用if-else-if描述的3选1多路选择器（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output reg oQ
);
always @ (*)
if (iSel == 2'b0)
oQ = iA;
else if (iSel == 2'b01)
oQ = iB;
else
oQ = iC;
endmodule
第9~15行，使用if-else-if描述带优先级的多路选择器。有人看到我的代码会有一点小疑问？为什么always块没有加begin-end的。其实呢这个begin-end就相当于C语言里面的｛｝，与C语言类似，当后面的语句条数为1时，可以省略begin-end。而if-else-if恰好为一个完整的语句。
always @ (*)
if (iSel == 2'b0)
oQ = iA;
else if (iSel == 2'b01)
oQ = iB;
else
oQ = iC;
图1.14 使用if-else-if描述的3选1多路选择器的RTL视图
1.2.2 使用“: ?”描述
既然使用if-else-if可以描述带优先级的多路选择器，那么使用“: ?”当然也是可行的。
代码1.9 使用“: ?”描述的3选1多路选择器（可综合）
module multiplexer(
input iA,
input iB,
input iC,
input [1:0] iSel,
output oQ
);
assign oQ = (iSel == 2'b00) ? iA :
(iSel == 2'b01) ? iB : iC;
endmodule
第9~10行，使用“: ?”描述带优先级的多路选择器。
assign oQ = (iSel == 2'b00) ? iA :
(iSel == 2'b01) ? iB : iC;
实际上等同于，为什么使用上面这种写法呢？因为“: ?”的运算优先级比较低，所以不必加括号。
assign oQ = (iSel == 2'b00) ? iA :
((iSel == 2'b01) ? iB : iC);
注意：第6行的声明，由于是使用assign语句赋值，因此无需声明成reg类型。
output oQ
图1.15 使用“: ?”描述的3选1多路选择器的RTL视图
如图1.15所示，使用“: ?”描述多路选择器与if-else-if描述完全一致，因此两种描述方式可以互换。
2 多路分解器De-Multiplexer
多路分解器，也叫数据选择器，顾名思义即多路输入，一路输出。有了前面的基础，那么描述一个多路分解器，便是轻而易举的事情了。
代码2.1 使用case描述多路分解器
module de_multiplexer(
input iA,
input [1:0] iSel,
output reg oQ_0,
output reg oQ_1,
output reg oQ_2
);
always @ (*)
begin
oQ_0 = 1'b0;
oQ_1 = 1'b0;
oQ_2 = 1'b0;
case (iSel)
2'b00 : oQ_0 = iA;
2'b01 : oQ_1 = iA;
2'b10 : oQ_2 = iA;
default : ;
endcase
end
endmodule
第9~20行，在敏感列表后，追加初始值，可以有效地避免生成锁存器。
always @ (*)
begin
oQ_0 = 1'b0;
oQ_1 = 1'b0;
oQ_2 = 1'b0;
case (iSel)
2'b00 : oQ_0 = iA;
2'b01 : oQ_1 = iA;
2'b10 : oQ_2 = iA;
default : ;
endcase
end
图2.1 代码2.1综合后的RTL视图
代码2.2 代码2.1的testbench
`timescale 1ns/1ns module de_multiplexer_tb; reg i_a; reg [1:0] i_sel; wire o_q_0, o_q_1, o_q_2; initial begin i_a = 0; forever #10 i_a = ~i_a; end initial begin i_sel = 2'b00; #20 i_sel = 2'b01; #20 i_sel = 2'b10; #20 i_sel = 2'b11; #20 $stop; end de_multiplexer de_multiplexer_inst( .iA(i_a), .iSel(i_sel), .oQ_0(o_q_0), .oQ_1(o_q_1), .oQ_2(o_q_2) ); endmodule
图2.1 代码2.1的功能仿真波形
图2.2 代码2.1的门级仿真波形
图2.1和图2.2的所示波形与代码2.1一致。
辅助阅读
1. Wikipedia.Multiplexer
参考
1. 刘福奇, 刘波.Verilog HDL应用程序设计实例精讲.电子工业出版社
2. Cliff Cummings' Award-Winning Verilog & SystemVerilog Papers. "full_case parallel_case", the Evil Twins of Verilog Synthesis
3. 萧鸿森.(原創) 多工器MUX coding style整理 (SOC) (Verilog) (Quartus II)
4. Altera.Recommended HDL Coding Styles.General Coding Guidelines
