數字硬件建模SystemVerilog(一)-RTL和門級建模

接下來系列文章會有很多在Verilog中知識點有被提及，關于這兩者關系，請查看《談談Verilog和SystemVerilog簡史，FPGA設計是否需要學習SystemVerilog》。

本文定義了通常用于描述使用SystemVerilog對硬件功能進行建模的詳細級別的術語。

抽象

SystemVerilog能夠在許多不同的細節級別（稱為“抽象級別”）對數字邏輯進行建模。抽象意味著缺乏細節。數字模型越抽象，它所代表的硬件的細節就越少。

圖1-3顯示了SystemVerilog中可用的建模抽象的主要級別的詳細模型

圖1-3:SystemVerilog建模抽象級別

門級建模

SystemVerilog支持使用門級原語對數字邏輯進行建模。數字邏輯門是一個非常接近硅（silicon）實現的詳細模型。

SystemVerilog提供了幾個內置的門級原語，并允許工程師定義其他原語，這些原語是指用戶定義的原語（UDP）。SystemVerilog中的內置原語列在表1-1中：

表1-1:SystemVerilog門級原語

SystemVerilog還為ASIC和FPGA庫開發人員提供了通過定義用戶定義原語（UDP）添加到內置原語集的方法。UDP以表格格式定義，表格中的每一行列出一組輸入值和結果輸出值。組合邏輯和順序邏輯（如觸發器）原語都可以定義。

圖1-4顯示了帶進位的1位加法器的門級電路。示例1-1顯示了“使用原語對電路建模的SystemVerilog代碼”。

圖1-4：帶進位的1位加法器，用邏輯門表示示例1-1；帶進位的1位加法器的SystemVerilog門級模型

`begin_keywords

"1800-2012"

modulegate_adder

(inputwirea,b,ci,

outputwiresum,co

);

timeunit1ns;timeprecision100ps;

wiren1,n2,n3;

xorg1(n1,a,b);

xor

#1.3g2(sum,n1,ci);

andg3(n2,a,b);

andg4(n3,n1,ci);

or

#(1.5,1.8)g5(co,n2,n3);

endmodule:gate_adder

`end_keywords

門級原語的語法非常簡單：

<>

type

>〈instancename>(,);

許多門級原語可以具有可變數量的輸入。例如，and原語可以表示2輸入、3輸入或4輸入與門，如下所示：

and i1{o1，a，b）；//2-輸入與門

and i2（o2，a，b，c}；//3-輸入與門

and i3{o3，a，b，c，d）；//4-輸入與門

原語的實例名稱雖然是可選的，但它是良好的代碼注釋，它使維護代碼和將SystemVerilog源代碼與示意圖或設計的其他表示形式聯系起來變得容易。實例名稱是用戶定義的，可以是任何合法的SystemVerilog名稱。

門級原語可以用傳播延遲來建模。如果未指定延遲，則門輸入上的更改將立即反映在門輸出上。延遲是一個表達式，可以是一個簡單的值，如示例1-1中的實例g2，也可以是一個更復雜的表達式，如實例g5。上述代碼中的柵極g2的傳播延遲為13ns，這意味著當其中一個柵極輸入上發生轉換時，在柵極輸出sum改變之前，這個時間是13ns。門g5將傳播延遲分為不同的延遲，用于輸出上的上升和下降躍遷。如果co值從0轉換為l，延遲為1ns。如果co正在從1轉換為0，更改延遲為1.8ns。

門級模型能夠以高精度表示實際硅的傳播延遲。邏輯門的功能反映了將在硅中使用的晶體管組合的功能，并且門延遲可以反映通過這些晶體管的傳播延遲。ASIC和FPGA供應商使用這種精度對特定設備的詳細行為進行建模。

門級模型通常由軟件工具或專門從事庫開發的工程師生成。在RTL級別設計的設計工程師很少（如果有的話）使用門級原語建模。相反，RTL設計者使用門級模型的網表，其中網表是通過合成RTL模型生成的。網表級模型由目標ASIC或FPGA設備的供應商提供。關于門級建模的內容比本文中介紹的要多得多。

開關級建模。SystemVerilog還可以使用開關原語（如pmos、nmos和cmos）、電阻開關原語（如rpmos、cnmos和rcmos）和電容網絡在晶體管級對數字電路建模。這種級別的建模可以很好地表示實際的硅實現。然而，由于這些結構只能仿真數字行為，因此很少使用。晶體管、電阻器和電容器都是仿真器件。數字仿真不能準確反映晶體管的行為。開關級建模通常不在SystemVerilog的FPGA設計流程中使用。

RTL模型

一個更抽象的建模級別——也是系列文章的重點——是寄存器傳輸級別(Register Transfer Levels)，或RTL。此級別的建模使用編程語句和運算符表示數字功能。RTL模型是功能模型，不包含有關如何在硅中實現該功能的詳細信息。由于這種抽象，復雜的數字功能可以比在詳細的門級更快速、更簡潔地建模。RTL模型的仿真速度也大大快于門級和開關級模型，這使得驗證更大、更復雜的設計成為可能。SystemVerilog為RTL建模提供了兩種主要結構：連續賦值（continuous assignments）和always程序塊。

連續賦值以assign關鍵字開始，可以表示簡單的組合邏輯。前面的示例1-1說明了1-bit加法器的門級模型。示例1-2顯示了如何通過使用連續賦值在更抽象的層次上建模相同的1位加法器功能：

`begin_keywords

"1800-2012"

modulertl_adder

(inputlogica,b,ci,

outputlogicsum,co

);

timeunit1ns/1ns;

assign{co,sum}=a+b+ci;

endmodule:rtl_adder

`end_keywords

示例1-2：帶進位的1位加法器的SystemVerilog RTL模型

RTL建模的一個優點是代碼更易于自文檔化（self-documenting）。查看示例1-1中的門級模型并識別模型所代表的內容可能很困難，尤其是在沒有注釋和有意義的名稱的情況下。但是，查看示例1-2中RTL模型中的代碼并認識到該功能是一個加法器要容易得多。

RTL建模的另一個強大優勢是能夠處理矢量和數據包。矢量是一個大于一位寬的信號。開關級和門級建模的操作一1位寬的信號，在SystemVerilog中稱為標量信號。要對32位加法器進行建模，需要對每個位上運行的開關或門進行建模，這與實際硅中的操作相同。上述示例1-2中的連續賦值語句可以通過改變信號的聲明，對任意大小的加法器進行建模。

更復雜的功能可以使用程序塊建模。程序塊封裝了一行或多行編程語句，以及有關何時執行這些語句的信息。RTL級別使用四種類型的always過程：always、always_comb、always_ff和always_latch。

以下示例簡明地表示具有寄存器輸出的32位加法器/減法器：

`begin_keywords

"1800-2012"

modulertl_adder_subtracter

(inputlogicclk,//1-bitscalarinput

inputlogicmode,//1-bitscalarinput

inputlogic[31:0]a,b,//32-bitvectorinputs

outputlogic[31:0]sum//32-bitvectoroutput

);

timeunit1ns/1ns;

always_ff@(posedgeclk)begin

if

(mode==0)sum<=?a?+?b;

else

sum<=?a?-?b;

end

endmodule:rtl_adder_subtracter

`end_keywords

示例1-3:32位加法器/減法器的SystemVerilog RTL模型

在一個典型的仿真和綜合設計流程中，工程師們將花費大部分時間在RTL級別建模和驗證RTL功能。

行為級和事務級建模

SystemVerilog過程塊可用于在比RTL更高的抽象級別上建模，該抽象通常被稱為行為模型（也稱為總線功能或算法模型）。行為模型可能看起來與RTL模型非常相似，因為RTL和行為模型都是程序塊。行為模型在兩個方面與RTL有所不同。

高級抽象是事務級建模。事務模型通常用于驗證代碼中，并且通常使用SystemVerilog的面向對象編程結構進行建模。

RTL綜合編譯器無法綜合抽象的行為和事務級別，本系列中也沒有討論.

?RTL模型必須遵守嚴格的語言限制，才能由RTL綜合編譯器進行合成。行為模型可以使用完整的SystemVerilog語言。

?RTL程序塊在單個時鐘周期內執行其編程語句，如果是組合邏輯，則在零周期內執行。行為模型過程塊可以使用任意數量的時鐘周期來執行其語句。