07-层次化设计 -- 全加器

1.层次化设计

数字电路中根据模块层次不同有两种基本的结构设计方法:自底向上的设计方法和自顶向下的设计方法

1.1 自底向上的设计方法(Bottom-Up)

自底向上的设计是一种传统的设计方法,对设计进行逐次划分的过程是从存在的基本单元出发的(基本单元是已有的或者是购买的),有基本单元构建高层单元,依次向上,直至构建系统

首先对现有的功能块进行分析,只用这些已经存在的模块,搭建比较大的功能块

1.2 自上而下的设计方法(Top-Down)

从系统开始,把系统分为基本单元,然后再把每个单元划分为下一层次的基本单元,一直这样做下去,直到直接可以使用EDA元件库中的元件来实现为止

先确定顶层模块
划分子模块
对子模块进行分解
实现最小的模块

1.3 混合设计

2.全加器设计

使用半加器实现一个全加器
使用按键KEY1,KEY2,KEY3表示in_1,in_2,c_in
LED1,LED2分别表示sum,c_out

2.1 框图和波形

将顶层模块进行继续划分

2.2 代码编写

顶层模块和子模块放在同一个文件夹下,顶层模块可以例化子模块

module half_adder(
  input wire in_1,
  input wire in_2,

  output wire sum,
  output wire count
);

  assign {count,sum} = in_1 + in_2;
  
endmodule

module full_adder(
  input wire in_1,    // 输入两个加数和一个低位进位
  input wire in_2,
  input wire cin,  
  
  output wire sum,    // 输出和 进位
  output wire count
);

// 例化过程中需要引出的线,单独进行命名
// 第一个半加器的输出 sum -- 顶层没有定义子模块的输出,所以要自己定义


// 声明两个变量,将第一个半加器的输出引出来
// 可以对变量进行重新进行命名
wire h0_sum;
wire h0_count;
// 将第二个半加器的输出引出来
wire h1_count;

half_adder half_adder_inst1(
  .in_1 (in_1),     // 输入in_1 in_2
  .in_2 (in_2),
  .sum  (h0_sum),   // in_1 ^ in_2
  .count (h0_count) // in_1 & in_2
);

half_adder half_adder_inst2(
  .in_1 (cin),    // 输入是第一个半加器的输入和进位
  .in_2 (h0_count), 
  .sum  (sum),    // 输出是 in_1 ^ in_2 ^ cin
  .count (h1_count) // 进位是 (in_1 ^ in_2) & cin + in_1 & in_2 
);

assign count = (h0_count | h1_count);
endmodule

进行代码编译,检查是否出错
需要将子模块和顶层模块都添加到工程当中进行编译
要使用哪个模块实现功能就将哪个模块例化到当前的代码文件中

2.3 Testbench

`timescale 1ns/1ns

module tb_full_adder();
  reg in_1;
  reg in_2;
  reg cin;
  wire sum;
  wire count;

  initial begin
    in_1 <= 1'b0;
    in_2 <= 1'b0;
    cin <= 1'b0;
  end

  initial begin
    $timeformat(-9,0,"ns",6);
    $monitor("@time:time=%t,in_1=%b,in_2=%b,cin=%b,sum=%b,count=%b",$time,in_1,in_2,cin,sum,count);
  end

  always #10 in_1 = {$random} % 2;
  always #10 in_2 = {$random} % 2;
  always #10 cin = {$random} % 2;
  
  full_adder full_adder_inst(
    .in_1 (in_1),
    .in_2 (in_2),
    .cin  (cin),
    .sum  (sum),
    .count (count)
  );
endmodule