Interface端口的概念介紹

概述

SystemVerilog Interface是modport的一種，但比簡單的輸入、輸出或輸入輸出端口的功能更多。在其最簡單的形式中，Interface端口將相關(guān)的信號(hào)捆綁在一起作為一個(gè)單一的復(fù)合端口。例如，構(gòu)成AMBA AXI總線的所有單個(gè)信號(hào)都可以被歸納為一個(gè)Interface端口。一個(gè)Interface可以做的不僅僅是封裝總線信號(hào)。SystemVerilog Interface為設(shè)計(jì)者提供了一種集中總線功能的方法，而不是將功能分散在設(shè)計(jì)中的幾個(gè)模塊中。這就模擬了設(shè)計(jì)工程師在RTL層面的工作，并讓綜合工作在整個(gè)設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)胤峙溟T級(jí)總線硬件。

當(dāng)遵循特定的建模準(zhǔn)則和限制時(shí)，Interface是可以綜合的。Interface也可以用在不可綜合級(jí)別的建模，并作為驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)的一部分。先進(jìn)的驗(yàn)證方法，如UVM 、OVM和VMM，都使用Interface。

Interface端口的概念

對(duì)于可綜合的RTL建模，Interface的主要目的是將多信號(hào)總線的聲明和一些協(xié)議功能信號(hào)封裝在一個(gè)單獨(dú)的定義中。然后，這個(gè)Interface定義可以在任何的模塊中使用，而不必重復(fù)聲明總線信號(hào)。

一個(gè)Interface是在關(guān)鍵字interface和end interface之間定義的。一個(gè)可綜合的RTL Interface定義可以包含：

帶有數(shù)據(jù)類型和向量寬度的變量(Variable)和wire聲明。

modport定義，給出信號(hào)的方向。可以為將使用該Interface的不同模塊指定不同的定義。

用于仿真零延遲、零時(shí)鐘周期總線功能。

Interface也可以包含不可綜合的事務(wù)級(jí)功能和驗(yàn)證代碼，包括初始程序、always程序、任務(wù)和斷言 。本文沒有討論Interface的這些不可綜合的方面。

本章的例子使用AMBAAHB總線的簡化版本，被稱為"simple AHB"，在主模塊和從模塊之間進(jìn)行通信。這個(gè)簡化版本只使用了構(gòu)成完整AMBA AHB總線的19個(gè)信號(hào)中的8個(gè)。簡單的AHB信號(hào)是：

表10-1：簡化的AMBA AHB信號(hào)

這種簡單的AHB總線在單個(gè)主機(jī)和單個(gè)從機(jī)模塊之間進(jìn)行通信，因此不需要完整的AMBA AHB總線所需要的總線仲裁器和解碼器模塊。

傳統(tǒng)的Verilog總線連接

如果沒有Interface，構(gòu)成通信總線的信號(hào)必須在每個(gè)使用總線的模塊中作為單獨(dú)的端口來聲明。這些端口的聲明必須在每個(gè)使用總線的模塊中重復(fù)進(jìn)行，并在連接總線和其他模塊的網(wǎng)表模塊中作為wire再次重復(fù)進(jìn)行。

圖10-1顯示了將主模塊和從模塊連接在一起的框圖，使用了簡化版的AMBA AHB總線的8個(gè)信號(hào)。圖中還顯示了四個(gè)與簡單的AHB總線無關(guān)的額外信號(hào)。使用某種形式的總線協(xié)議進(jìn)行通信的模塊，除了構(gòu)成總線的那些信號(hào)外，通常還有其他的輸入和輸出。

圖10-1：使用獨(dú)立interface連接主機(jī)和從機(jī)的方框圖

例10-1顯示了連接圖10-1中的主模塊和從模塊的代碼。請(qǐng)注意，構(gòu)成簡單AHB總線的8個(gè)信號(hào)的聲明是重復(fù)的。同樣的信號(hào)必須在主模塊、從模塊、連接主模塊和從模塊以及主模塊和從模塊實(shí)例的連接中聲明。例10-1是用傳統(tǒng)的Verilog-2001風(fēng)格和數(shù)據(jù)類型建模的。

例10-1：使用單獨(dú)的端口連接主模塊和從模塊

///////////////////////////////////////////////////////////
//MasterModulePortList--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
modulemaster(
//simplifiedAHBbussignals
inputwirehclk,//bustransferclk
inputwirehresetN,//busreset,activelow
outputreg[31:0]haddr,//transferstartaddress
outputreg[31:0]hwdata,//datasenttoslave
outputreghwrite,//returndatafromslave
outputreg[2:0]hsize,//transfersize
inputwire[31:0]hrdata,//1forwrite,0forread
inputwirehready,//1fortransferfinished
//othersignals
inputwirem_clk,//masterclock
inputwirerstN,//reset,activelow
inputwire[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
outputreg[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//mastermodulefunctionalitynotshown
endmodule:master
//`end_keywords


///////////////////////////////////////////////////////////
//SlaveModulePortList--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
moduleslave(
//simplifiedAHBbussignals
inputwirehclk,//bustransferclk
inputwirehresetN,//busreset,activelow
inputwire[31:0]haddr,//transferstartaddress
inputwire[31:0]hwdata,//datasenttoslave
inputwirehwrite,//returndatafromslave
inputwire[2:0]hsize,//transfersize
outputreg[31:0]hrdata,//1forwrite,0forread
outputreghready,//1fortransferfinished
//othersignals
inputwires_clk,//slaveclock
inputwirerstN,//reset,activelow
outputreg[7:0]thing1,//misc.signal;notpartofbus
inputwire[7:0]thing2//misc.signal;notpartofbus
);
//...//slavemodulefunctionalitynotshown
endmodule:slave
//`end_keywords


///////////////////////////////////////////////////////////
//Top-levelNetlistModule--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
modulechip_top;
//SimplifiedAHBbussignals
wirehclk;//bustransferclk
wirehresetN;//busreset,activelow
wire[31:0]haddr;//transferstartaddress
wire[31:0]hwdata;//datasenttoslave
wirehwrite;//returndatafromslave
wire[2:0]hsize;//transfersize
wire[31:0]hrdata;//1forwrite,0forread
wirehready;//1fortransferfinished
//Othersignals
wirem_clk;//masterclock
wires_clk;//slaveclock
wirechip_rstN;//reset,activelow
wire[7:0]thing1;//miscsignal;notpartofbus
wire[7:0]thing2;//miscsignal;notpartofbus

masterm(//simplifiedAHBbusconnections
.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN),
.haddr(haddr),
.hwdata(hwdata),
.hsize(hsize),
.hwrite(hwrite),
.hrdata(hrdata),
.hready(hready),
//0therconnections
.m_clk(m_clk),
.rstN(chip_rstN),
.thing1(thing1),
.thing2(thing2)
);

slaves(//simplifiedAHBbusconnections
.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN),
.haddr(haddr),
.hwdata(hwdata),
.hsize(hsize),
.hwrite(hwrite),
.hrdata(hrdata),
.hready(hready),
//0therconnections
.s_clk(s_clk),
.rstN(chip_rstN),
.thing1(thing1),
.thing2(thing2)
);

//...//remainingchip-levelcodenotshown

endmodule:chip_top
//`end_keywords

與主端口的連接必須再次復(fù)制簡化的AHB信號(hào)（SystemVerilog的點(diǎn)名或如果所有的名字都匹配，點(diǎn)星的快捷方式可以減少這種冗余。正是如此。

「離散的輸入和輸出modport的缺點(diǎn)」。為總線信號(hào)使用單獨(dú)的modport，描述設(shè)計(jì)中各塊之間的互連提供了一種簡單而直觀的方法。獨(dú)立的端口準(zhǔn)確地模擬了構(gòu)成總線物理實(shí)現(xiàn)的信號(hào)。然而，在大型復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，使用單個(gè)modport有幾個(gè)缺點(diǎn)。其中一些缺點(diǎn)是:

聲明必須在多個(gè)模塊中重復(fù)進(jìn)行。

通信協(xié)議，如握手順序，必須在七個(gè)模塊中重復(fù)使用。

在不同的模塊中存在著不匹配聲明的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)規(guī)范的改變可能需要在多個(gè)模塊中同步進(jìn)行修改。

在前面的例子中，構(gòu)成簡化AHB總線的信號(hào)必須在每個(gè)使用總線的模塊中聲明，以及在將主模塊和從模塊連接在一起的頂層網(wǎng)表中聲明。即使是上面列出的簡化AHB總線例子--它只使用了19個(gè)AHB總線信號(hào)中的8個(gè)，并且只有一個(gè)從屬模塊--名稱的重復(fù)也是很明顯的。每個(gè)AHB信號(hào)總共被命名了7次!

這種重復(fù)不僅需要輸入大量的代碼行，而且很有可能出現(xiàn)編碼錯(cuò)誤。在一個(gè)地方輸入錯(cuò)誤的名稱或不正確的矢量大小可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的功能錯(cuò)誤，直到設(shè)計(jì)過程的后期，當(dāng)模塊被連接在一起進(jìn)行完整的驗(yàn)證時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

復(fù)制的端口聲明也意味著，如果在設(shè)計(jì)過程中（或在下一代設(shè)計(jì)中）總線的規(guī)格發(fā)生變化，每一個(gè)共享總線的模塊都必須被改變。用于連接使用該總線的模塊的網(wǎng)表也必須改變。這種大范圍的改變效果是與良好的編碼風(fēng)格相違背的。好的編碼的一個(gè)目標(biāo)是將代碼結(jié)構(gòu)化，使一個(gè)地方的小變化不需要改變代碼的其他區(qū)域。使用離散的輸入和輸出端口的一個(gè)弱點(diǎn)是，一個(gè)模塊中的端口的改變通常需要其他文件的改變。

使用離散的輸入和輸出modport的另一個(gè)缺點(diǎn)是，通信協(xié)議必須在每個(gè)利用模塊之間相互連接的信號(hào)的模塊中重復(fù)進(jìn)行。例如，如果有三個(gè)模塊從一個(gè)共享的存儲(chǔ)器設(shè)備上進(jìn)行讀寫，那么讀寫控制邏輯必須在每個(gè)模塊中重復(fù)進(jìn)行。

SystemVerilog Interface定義

SystemVerilog給Verilog增加了一個(gè)強(qiáng)大的新端口類型，稱為Interface端口。一個(gè)Interface允許一些信號(hào)被組合在一起，并被表示為一個(gè)單一的端口。構(gòu)成Interface的信號(hào)的聲明被封裝在關(guān)鍵字interface和end interface之間。每個(gè)使用這些信號(hào)的模塊都有一個(gè)Interface類型的單一端口，而不是許多不相干的信號(hào)的端口。

圖10-2顯示了一個(gè)Interface如何將幾個(gè)單獨(dú)的端口組綜合成一個(gè)單一的端口，連接到一個(gè)Interface。

例10-3顯示了主模塊和從模塊的定義。主模塊上用于簡單AHB總線的8個(gè)獨(dú)立端口已經(jīng)被單個(gè)Interface端口所取代。這個(gè)Interface端口沒有被聲明為輸入、輸出或inout，而是被聲明為simple_ahb，也就是例10-2中定義的Interface的名稱。當(dāng)使用傳統(tǒng)的單獨(dú)的輸入和輸出端口時(shí)，Interface端口消除了主從模塊內(nèi)多余的簡單AHB信號(hào)聲明，如例10-1中的情況。

例10-4顯示了連接主模塊和從模塊的高層網(wǎng)表。不再有24行的代碼來聲明8個(gè)獨(dú)立的總線信號(hào)和然后將這8個(gè)信號(hào)連接到例10-1中列出的主模塊和從模塊的端口。相反，simple_ahb Interface的實(shí)例化方式與模塊相同，實(shí)例名稱與主模塊和從模塊實(shí)例的Interface端口相連。

圖10-2：使用Interface端口連接主機(jī)和從機(jī)的方框圖

下面的三個(gè)例子顯示了使用Interface如何減少為上面所示的簡單AHB通信總線建模所需的代碼量。

例10-2顯示了一個(gè)Interface端口的定義，它將構(gòu)成簡單AHB的信號(hào)封裝為一個(gè)Interface。

例10-2：簡單AMBA AHB總線的Interface定義

///////////////////////////////////////////////////////////
//SimpleAMBAAHBInterface--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
interfacesimple_ahb(
inputlogichclk,//bustransferclk
inputlogichresetN//busreset,activelow
);
logic[31:0]haddr;//transferstartaddress
logic[31:0]hwdata;//datasenttoslave
logic[31:0]hrdata;//returndatafromslave
logic[2:0]hsize;//transfersize
logichwrite;//1forwrite,0forread
logichready;//1fortransferfinished

//mastermoduleportdirections
modportmaster_ports(
outputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//toAHBslave
inputhrdata,hready,//fromAHBslave
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);

//slavemoduleportdirections
modportslave_ports(
outputhrdata,hready,//toAHBmaster
inputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//fromAHBmaster
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);
endinterface:simple_ahb
//`end_keywords

「Interface上的端口?！?/strong>一個(gè)Interface就像一個(gè)模塊一樣可以有輸入、輸出和inout端口。例10-2中所示的簡單AHB Interface有兩個(gè)輸入端口，hc1k和hresetN,這些信號(hào)是在Interface之外產(chǎn)生的，通過兩個(gè)輸入端口傳入Interface。Interface上的端口的聲明與模塊上的端口相同。

///////////////////////////////////////////////////////////
//MasterModulePortList--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
modulemaster
(simple_ahb.master_portsahb,//interfaceport&modport
//otherports
inputlogicm_clk,//masterclock
inputlogicrstN,//reset,activelow
inputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
outputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//mastermodulefunctionalitynotshown
endmodule:master
//`end_keywords

///////////////////////////////////////////////////////////
//SlaveModulePortList--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
moduleslave
(simple_ahb.slave_portsahb,//interfaceport&modport
//otherports
inputlogics_clk,//slaveclock
inputlogicrstN,//reset,activelow
outputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
inputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//slavemodulefunctionalitynotshown
endmodule:slave

///////versionwithnomodportselection///////
//moduleslave
//(simple_ahbahb,//interfaceportwithoutmodport
////otherports
//inputlogics_clk,//slaveclock
//inputlogicrstN,//reset,activelow
//outputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
//inputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
//);
//////...//slavemodulefunctionalitynotshown
//endmodule:slave
//`end_keywords

///////////////////////////////////////////////////////////
//Top-levelNetlistModule--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
modulechip_top;
logicm_clk;//masterclock
logics_clk;//slaveclock
logichclk;//AHBbusclock
logichresetN;//AHBbusreset,activelow
logicchip_rstN;//reset,activelow
logic[7:0]thing1;//miscsignal;notpartofbus
logic[7:0]thing2;//miscsignal;notpartofbus

//
//instantiatetheinterface
//(usingsamesyntaxasamoduleinstance)
simple_ahbahb1(.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN)
);

//instantiatemasterandconnecttheinterfaceinstance
//totheinterfaceport
masterm(.ahb(ahb1),//connectinterfaceport
.rstN(chip_rstN),
.m_clk,//dot-nameconnectionshortcut
.thing1,//fortheotherports
.thing2
);

//instantiateslaveandconnecttheinterfaceinstance
//totheinterfaceport
slaves(.ahb(ahb1),//connectinterfaceport
.rstN(chip_rstN),
.*//wildcardconnectionshortcut
);//fortheotherports

//instantiateslaveandpickmodportintheconnection
//slaves(.ahb(ahb1.slave_ports),//selectslavemodport
//.rstN(chip_rstN),
//.*//wildcardconnectionshortcut
//);

//...//remainingchip-levelcodenotshown

endmodule:chip_top
//`end_keywords

.。

always_ff@(posedgeahb.hclk)