wire和reg型变量的组合使用

模型功能

• 实现寄存器之间的连线
• 实现寄存器的声明
• 建构时钟的时序系统

模型框图

`timescale 1ns / 1ps
/*

*/
// *******************************************************************************
// Company: Fpga Publish
// Engineer: FP 
// 
// Create Date: 2024/03/24 12:39:43
// Design Name: 
// Module Name: verilog_demo
// Project Name: 
// Target Devices: ZYNQ7010 | XCZU2CG | Kintex7
// Tool Versions: 2021.1 || 2022.2
// Description: 
//         * 
// Dependencies: 
//         * 
// Revision: 0.01 
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
// *******************************************************************************
module verilog_demo #(
    //mode
    parameter MD_SIM_ABLE = 0,
    //number
    parameter NB_DELAY_CLK = 100,
    //width
    parameter WD_ERR_INFO = 4
   )(
    //! system signals
    input           i_sys_clk   ,  
    input           i_sys_resetn,  
    //! @virtualbus uart_interface @dir out
    output          m_uart_0_mtx, //! uart master tx
    input           m_uart_0_mrx, //! uart master rx
    //! @end 
    //! error info feedback
    output   [WD_ERR_INFO-1:0]  m_err_verilog_info1
);
//========================================================
//function to math and logic

//========================================================
//localparam to converation and calculate

//========================================================
//register and wire to time sequence and combine
// ----------------------------------------------------------
// demo variable
reg        [1:0] r_dat0 = 0;
reg signed [1:0] r_dat1 = 0;
wire       [1:0] w_dat2;
reg        [1:0] r_fifo [0:1]
wire       [1:0] w_array [0:1];

//========================================================
//always and assign to drive logic and connect

//========================================================
//module and task to build part of system

//========================================================
//expand and plug-in part with version 

//========================================================
//ila and vio to debug and monitor

endmodule
              
/* end verilog

*/

实现步骤

1. 声明寄存器

• reg类型变量实际上是对FF（除法器）的快速声明方法
• 使用FDCE的原语可以实现寄存器的准确描述，但是比较少用

   FDCE #(
      .INIT(1'b0),            // Initial value of register, 1'b0, 1'b1
      // Programmable Inversion Attributes: Specifies the use of the built-in programmable inversion
      .IS_CLR_INVERTED(1'b0), // Optional inversion for CLR
      .IS_C_INVERTED(1'b0),   // Optional inversion for C
      .IS_D_INVERTED(1'b0)    // Optional inversion for D
   )
   FDCE_inst (
      .Q(Q),     // 1-bit output: Data
      .C(C),     // 1-bit input: Clock
      .CE(CE),   // 1-bit input: Clock enable
      .CLR(CLR), // 1-bit input: Asynchronous clear
      .D(D)      // 1-bit input: Data
   );

• 其中位宽的作用是声明多个FDCE组合成寄存器组，实现多bit数据的处理
• 默认值的就是快速输入原语中的INIT值
• 原语中的其他描述则会在always逻辑中体现，本章不展开

2. wire线的连接

• 从硬件上理解，wire就是各个器件之间的走线
• 从高级语言的角度理解，wire就是等式的右边部分的缩写
• 也就是说，wire并不是C语言中的变量，而是等式的右边，用于描述某些中间过程

3. 二维reg变量的使用

• 如模型描述中的r_fifo，可以允许输入地址去访问类数组结构
• 该二维reg变量实际上依靠DRAM实现，地址由查找表实现，受限于查找表的大小一般为64bit，所以二维变量地址不能太大
• 一般器件将地址深度控制在256以内，这个和器件底层LUT级联单元有关（当然也和时序有关，时序要求越低，支持数目越多）
• 需要注意的是，严禁使用三维reg变量
  • 三维reg变量是指地址受到两个reg变量的访问
  • 从其映射关系可以知道，三维reg变量形成的是两个reg变量位宽相乘的查找表数量
  • 除非两个变量的位宽都很小，且时序要求很低，否则极有可能出现计算异常（本人已经多次验证过，仿真没有问题，但是实际运行异常）
  • 而且，可以通过简单地提前一个周期计算地址的方法完成维度的降低，完全没有必要使用这种延时大、条件严格的结构

4. 二维阵列的使用

• 如模型描述的w_array，可以允许输入地址去访问数据的特定位宽
• 是的，和二维变量的区别是，w_array是走线集合，而不是硬件结构
• wire [8-1:0] x [0:2-1] 和 wire [8*2-1:0]属于一个性质，只不过对应关系有所差异
• 一般二维阵列就是配合二维变量，在级联结果中形成同步的信号缓存

5. 级联一维变量的使用

• 并不是所有类似r_fifo的变量都是二维reg变量
• 这个取决于该变量的地址控制方式
• 当使用常数控制地址访问时，其更多是作为级联变量使用
• 但是从使用效果来说，和二维变量无区别，所以可以全部用fifo进行标记
• 在本集合的第三篇时就使用过级联变量，本质上也是一种缩写，而非特殊的硬件结构

6. 寄存器之间的传递

• 理论上，可以使用reg完成所有的寄存器的描述
• 但是为了灵活，还是需要用wire缓存一些中间结果，以免出现大量的重复代码
• 也就是存在下列传递关系：
  • reg --> wire (assign)
  • wire --> reg (always)
  • wire --> wire (assign)
  • reg --> reg (always)
• 端口列表在传递时均为wire，可以直接连接，通过input和output进行方向区分

最终效果

module adder_cascade#(
    parameter NB_CASCADE = 4,
    parameter WD_DAT = 4 
    )(
    input i_clk,
    input  [WD_DAT-1:0] a,
    output [WD_DAT-1:0] s,
    output [WD_DAT*NB_CASCADE-1:0] o_dat
    );
wire [WD_DAT-1:0] a_array [0:NB_CASCADE]; //add 1 bit for input
reg [WD_DAT-1:0] r_fifo [0:NB_CASCADE-1]; //add 1 bit for input
assign a_array[0] = a;
assign s = a_array[NB_CASCADE];
generate genvar i;
for(i = 0; i < NB_CASCADE; i = i + 1)
    begin: FOR_NB_CASCADE
        adder #(
            .WD_DAT(WD_DAT)
        )u_adder(
            .a(a_array[i]),
            .s(a_array[i+1])
        );
        always@(posedge i_clk)
        begin
            r_fifo[i] <= a_array[i];
        end 
        assign o_dat[WD_DAT*(i+1)-1:WD_DAT*i] = r_fifo[i];
    end 
endgenerate 
endmodule

调用接口

• 非封装模型，无调用接口