RTL和門級(jí)建模

數(shù)字硬件建模SystemVerilog(一)-RTL和門級(jí)建模

接下來系列文章會(huì)有很多在Verilog中知識(shí)點(diǎn)有被提及，關(guān)于這兩者關(guān)系，請(qǐng)查看《談?wù)刅erilog和SystemVerilog簡史，FPGA設(shè)計(jì)是否需要學(xué)習(xí)SystemVerilog》。

本文定義了通常用于描述使用SystemVerilog對(duì)硬件功能進(jìn)行建模的詳細(xì)級(jí)別的術(shù)語。

抽象

SystemVerilog能夠在許多不同的細(xì)節(jié)級(jí)別（稱為“抽象級(jí)別”）對(duì)數(shù)字邏輯進(jìn)行建模。抽象意味著缺乏細(xì)節(jié)。數(shù)字模型越抽象，它所代表的硬件的細(xì)節(jié)就越少。

圖1-3顯示了SystemVerilog中可用的建模抽象的主要級(jí)別的詳細(xì)模型

圖1-3:SystemVerilog建模抽象級(jí)別

門級(jí)建模

SystemVerilog支持使用門級(jí)原語對(duì)數(shù)字邏輯進(jìn)行建模。數(shù)字邏輯門是一個(gè)非常接近硅（silicon）實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)模型。

SystemVerilog提供了幾個(gè)內(nèi)置的門級(jí)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(nèi)置原語列在表1-1中：

表1-1:SystemVerilog門級(jí)原語

SystemVerilog還為ASIC和FPGA庫開發(fā)人員提供了通過定義用戶定義原語（UDP）添加到內(nèi)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(jié)果輸出值。組合邏輯和順序邏輯（如觸發(fā)器）原語都可以定義。

圖1-4顯示了帶進(jìn)位的1位加法器的門級(jí)電路。示例1-1顯示了“使用原語對(duì)電路建模的SystemVerilog代碼”。

圖1-4：帶進(jìn)位的1位加法器，用邏輯門表示示例1-1；帶進(jìn)位的1位加法器的SystemVerilog門級(jí)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(jí)原語的語法非常簡單：

<>

type

>〈instancename>(,);

許多門級(jí)原語可以具有可變數(shù)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(shí)例名稱雖然是可選的，但它是良好的代碼注釋，它使維護(hù)代碼和將SystemVerilog源代碼與示意圖或設(shè)計(jì)的其他表示形式聯(lián)系起來變得容易。實(shí)例名稱是用戶定義的，可以是任何合法的SystemVerilog名稱。

門級(jí)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(gè)表達(dá)式，可以是一個(gè)簡單的值，如示例1-1中的實(shí)例g2，也可以是一個(gè)更復(fù)雜的表達(dá)式，如實(shí)例g5。上述代碼中的柵極g2的傳播延遲為13ns，這意味著當(dāng)其中一個(gè)柵極輸入上發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，在柵極輸出sum改變之前，這個(gè)時(shí)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(zhuǎn)換為l，延遲為1ns。如果co正在從1轉(zhuǎn)換為0，更改延遲為1.8ns。

門級(jí)模型能夠以高精度表示實(shí)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(yīng)商使用這種精度對(duì)特定設(shè)備的詳細(xì)行為進(jìn)行建模。

門級(jí)模型通常由軟件工具或?qū)ｉT從事庫開發(fā)的工程師生成。在RTL級(jí)別設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工程師很少（如果有的話）使用門級(jí)原語建模。相反，RTL設(shè)計(jì)者使用門級(jí)模型的網(wǎng)表，其中網(wǎng)表是通過合成RTL模型生成的。網(wǎng)表級(jí)模型由目標(biāo)ASIC或FPGA設(shè)備的供應(yīng)商提供。關(guān)于門級(jí)建模的內(nèi)容比本文中介紹的要多得多。

開關(guān)級(jí)建模。SystemVerilog還可以使用開關(guān)原語（如pmos、nmos和cmos）、電阻開關(guān)原語（如rpmos、cnmos和rcmos）和電容網(wǎng)絡(luò)在晶體管級(jí)對(duì)數(shù)字電路建模。這種級(jí)別的建模可以很好地表示實(shí)際的硅實(shí)現(xiàn)。然而，由于這些結(jié)構(gòu)只能仿真數(shù)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(shù)字仿真不能準(zhǔn)確反映晶體管的行為。開關(guān)級(jí)建模通常不在SystemVerilog的FPGA設(shè)計(jì)流程中使用。

RTL模型

一個(gè)更抽象的建模級(jí)別——也是系列文章的重點(diǎn)——是寄存器傳輸級(jí)別(Register Transfer Levels)，或RTL。此級(jí)別的建模使用編程語句和運(yùn)算符表示數(shù)字功能。RTL模型是功能模型，不包含有關(guān)如何在硅中實(shí)現(xiàn)該功能的詳細(xì)信息。由于這種抽象，復(fù)雜的數(shù)字功能可以比在詳細(xì)的門級(jí)更快速、更簡潔地建模。RTL模型的仿真速度也大大快于門級(jí)和開關(guān)級(jí)模型，這使得驗(yàn)證更大、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)成為可能。SystemVerilog為RTL建模提供了兩種主要結(jié)構(gòu)：連續(xù)賦值（continuous assignments）和always程序塊。

連續(xù)賦值以assign關(guān)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(jí)模型。示例1-2顯示了如何通過使用連續(xù)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(jìn)位的1位加法器的SystemVerilog RTL模型

RTL建模的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是代碼更易于自文檔化（self-documenting）。查看示例1-1中的門級(jí)模型并識(shí)別模型所代表的內(nèi)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(rèn)識(shí)到該功能是一個(gè)加法器要容易得多。

RTL建模的另一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢是能夠處理矢量和數(shù)據(jù)包。矢量是一個(gè)大于一位寬的信號(hào)。開關(guān)級(jí)和門級(jí)建模的操作一1位寬的信號(hào)，在SystemVerilog中稱為標(biāo)量信號(hào)。要對(duì)32位加法器進(jìn)行建模，需要對(duì)每個(gè)位上運(yùn)行的開關(guān)或門進(jìn)行建模，這與實(shí)際硅中的操作相同。上述示例1-2中的連續(xù)賦值語句可以通過改變信號(hào)的聲明，對(duì)任意大小的加法器進(jìn)行建模。

更復(fù)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(guān)何時(shí)執(zhí)行這些語句的信息。RTL級(jí)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(gè)典型的仿真和綜合設(shè)計(jì)流程中，工程師們將花費(fèi)大部分時(shí)間在RTL級(jí)別建模和驗(yàn)證RTL功能。

行為級(jí)和事務(wù)級(jí)建模

SystemVerilog過程塊可用于在比RTL更高的抽象級(jí)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?yàn)镽TL和行為模型都是程序塊。行為模型在兩個(gè)方面與RTL有所不同。

高級(jí)抽象是事務(wù)級(jí)建模。事務(wù)模型通常用于驗(yàn)證代碼中，并且通常使用SystemVerilog的面向?qū)ο缶幊探Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

RTL綜合編譯器無法綜合抽象的行為和事務(wù)級(jí)別，本系列中也沒有討論.

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

?RTL程序塊在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行其編程語句，如果是組合邏輯，則在零周期內(nèi)執(zhí)行。行為模型過程塊可以使用任意數(shù)量的時(shí)鐘周期來執(zhí)行其語句。