你真的理解Verilog 中的module吗？

你真的理解Verilog 中的module吗？

通过前段时间的面试，我发现很多入门或者工作1~2年的人，对于module的理解还停留在一种语法的关键字，类似c中的main，我相信应该还有很多人的想法都是这样。经过这几天的思考，我发现造成目前这种情况并不是个人能力导致的，而是国内的环境导致的。

• 1、学习Verilog先学习一下C；
• 2、Verilog和C语法规则类似，之前学了C再学习Verilog很快；

上面的论调在论坛和各种XX群里是很常见的，同时国内早期的人们图书多半是从IEEE文档里把语法部分摘抄过来的，这就导致了很多人对Verilog这一硬件描述语言理解不深，今天我们就拿最最常见的module为例再深入讨论一下。

IEEE中对于module的描述

IEEE Standard 1800-2017 中对modules的定义

我们从中很清楚的知道module是对数字电路的数据、功能和时序的封装，说白了模块的实际意义是代表硬件电路上的逻辑实体。

建模的含义

建模的通俗理解：建立模型，展开就是主要是指从现实世界中抽象出我们的目标，在这一过程中，保留相关因素，剔除无关因素，从而直观地表示出问题。

建模的概念到SystemVerilog(下称“SV”)，就更加侧重，SV强调的就是数字系统建模和验证。

而我们使用Verilog和SV的过程就是对数字系统进行建模，最直观的表现就是模块之间是并行执行的，每个模块都实现特定的功能。

模块的描述方式：数据流建模、行为建模、结构建模

我们知道Verilog模型可以是实际电路的Verilog模型可以是实际电路的不同级别的抽象。这些抽象的级别和它们对应的模型类型共有以下五种：

• 系统级(system):用高级语言结构（如case if...else...）实现设计模块的外部性能的模型（在设计时只需要知道输入输出的真值表，就可以写出相关的描述）。
• 算法级(algorithm):用高级语言结构实现设计算法的模型(写出逻辑表达式)。
• RTL级(Register Transfer Level):描述数据在寄存器之间流动和如何处理这些数据的模型。
• 门级(gate-level):描述逻辑门(与或非)以及逻辑门之间的连接的模型。
• 开关级(switch-level):描述器件中三极管和储存节点以及它们之间连接的模型。

接下来我们在来看下几种模块的描述方式（建模）：数据流建模、行为建模、结构建模，更细分的话个人觉得状态机建模也是其中一类，但是这些不是我们讨论的范围就不展开讨论了。

• 数据流描述：采用assign连续赋值语句
• 行为描述：使用always语句或initial语句块中的过程赋值语句
• 结构化描述：实例化已有的功能模块或原语

下面以一个4位加法器（全加器）为例帮助大家去理解。

全加器的真值表如下（一位的）：

全加器的真值表

「数据流描述」

module Full_Add_4b_1( A, B, Cin, Sum, Cout ); 
 
  input[3:0] A; 
  input[3:0] B; 
  input Cin; 
  output[3:0] Sum; 
  output Cout; 
  
assign {Cout, Sum} = A + B + Cin; 
 
endmodule

「行为描述」

module Full_Add_4b_2( A, B, Cin, Sum, Cout );
  input[3:0] A; 
  input[3:0] B;
  input Cin; 
  output[3:0] Sum; output Cout; 
  
reg [3:0] Sum; 
reg Cout; 

always @(A or B or Cin) 
  begin 
      {Cout, Sum} <= A + B + Cin;
 end 
 
endmodule

** 结构化描述**

`include "Full_Add_4b_1.v" 
module Full_Add_4b_3( A, B, Cin, Sum, Cout ); 
 input[3:0] A; 
 input[3:0] B; 
 input Cin;
 output[3:0] Sum; 
 output Cout; 
 
 //实例化全加器 
 
 Full_Add_4b_1 FA4b1( A, B, Cin, Sum, Cout ); 
 
endmodule

上面就很容易理解了各种建模的区别，接下来再简单分析一下Verilog五种抽象级别和这三种建模方式的区别：从抽象级别的定义可知，这种抽象级别其实是指对同一个物理电路用Verilog不同层次（系统级、算法级、RTL级、门级、开关级）语言来描述的不同方式，比如现在需要一个4位全加器，那么可以通过最最底层的三极管、MOS管去搭建（这种方式是早期的一种实现方式，现在很少用了）、门电路搭建、RTL描述、算法级描述、系统级描述来实现。

门电路搭建的一位全加器架构

门电路实现的触发器

module flop(data,clock,clear,q,qb);
  input data,clock,clear;
  output q,qb;

  nand #10 nd1(a,data,clock,clear),
  nd2(b,ndata,clock),
  nd4(d,c,b,clear),
  nd5(e,c,nclock),
  nd6(f,d,nclock),
  nd8(qb,q,f,clear);
  nand #9 nd3(c,a,d),
  nd7(q,e,qb);
  not #10 iv1(ndata,data),
  iv2(nclock,clock);
  
endmodule

算法级描述-各种逻辑表达式

算法级描述举例

系统级描述-各种高级的语法结构，本例是case

系统级描述举例

综上，我们还可以将模块分为行为模块（只从行为功能的角度来描述某一电路模块）和结构模块（从电路结构的角度来描述该电路模块）这些就不深入展开了。

总结

上面说了很多不相关的话题，我们最后来个“点睛之笔”，总结一下：

1、每个.v文件都是以module开始......endmodule结束关键是Verilog侧重的是对数字电路的建模，所以他没有像C一样以main作为核心；

2、我们平时写一个程序的过程其实是利用Verilog的五种抽象级别的组合进行整个模块的建模过程；

3、理解这一过程很重要。

4、以上理解纯属个人见解，如有错误欢迎指正。

最后“吟诗”一首：

小小module话题多，Verilog“掌舵”全靠它。

希望大家给点力，点个在看鼓鼓劲！