數位積體電路雛型製作

1. 數位積體電路雛型製作 Ch01 Verilog語法

2. CAD –電腦輔助設計 • 數百萬個電晶體與邏輯閘 • 支援電路之電腦基本陳述的軟體程式 • 利用自動化設計程序輔助數位硬體電路的開發 • 設計入門 • 電路圖抓取 (schematic capture) 或電路圖繪製 (schematic entry) • 硬體描述語言 (hardware description language, HDL) Verilog, VHDL • 模擬 • 實體實現 • ASIC, FPGA, PLD

3. 硬體描述語言(HDL) • 一種以計算機為基礎而用文字的形式來描述數位系統硬體電路的語言： • 硬體結構 • 功能/行為 • 時序 • VHDL 與 Verilog HDL

4. A Top-Down Design Flow

5. 簡介 • Verilog HDL 由 Gateway 公司所提出。 • 用來描述硬體設計，從硬體的概念出發。 • 語法與 C 語言類似，容易學習。 • RTL( Register Transfer Language) • Verilog HDL: IEEE Standard (IEEE 1364 - 1995 ~ IEEE 1364 - 2001)

6. 識別字(Identifiers) • 在 Verilog 電路描述中，識別字可用於定義變數名稱、函數名稱、模組名稱與物件實例(instance) 名稱。 • 識別字的命名規則： • 第一個字元必須是英文字母。 • 第二個之後的字元可以是英文字母、數字、底線 ( _ ) 或是錢字號 ($)。 • 識別字的長度沒有限制。 • 識別字有區分英文大小寫。

7. 關鍵字(Keywords) • 關鍵字是用來描述Verilog的電路架構。 • Ex • input adder_in; //”input”是關鍵字， ”adder_in”是識別字 • wireadder_out; //”wire”是關鍵字，”adder_out”是識別字 • 所有的關鍵字必須使用英文小寫字母來表示。 • 常見的關鍵字有 always negedge posedge begin end assign wire integer function endfunction module endmodule for if else inout input output and buf nand nor not or xnor xor

8. 註解(Comments) • 單行註解 • 使用「//」作為開始符號。 • 結束符號為換行符號 (end_of_line)。 • 多行註解 • 使用「/*」作為開始符號。 • 使用「*/」作為結束符號。

9. 接線(Nets) • wire a; //宣告有一條接線叫做a • wire [15:0] data_bus;// 宣告data_bus為16 bit的連接線

10. 暫存器(registers) • reg R; //宣告一個變數R為暫存器 • reg[7:0] r0; //宣告一個寬度為8位元的r0暫存器 • 有記憶功能的線

11. 數字(number) • integer • real • time integer count; real avg; count = 0; avg =1.23;

12. 參數 • parameter value1=9; • parameter wordsize=16; reg [wordsize-1:0] data_bus; reg [15:0] data_bus; //同上

13. 陣列與記憶體 • <資料型態><長度><變數名><陣列大小> • reg datareg[7:0]; • integer [7:0] outint[15:0]; • reg[7:0] mem256[255:0]; • reg[15:0] mem_1024[1023:0];

14. 三態 • inout[3:0] dbus; module tribuf(dbus,enable,value1); inout[3:0] dbus; input enable; input[3:0] value1; assign dbus =(enable==1) ? value1 : 4’bz; endmodule

15. 數字表示規格 • 一樣的數值以不同的進制表示 • 8'b10100101; //binary 8位元的二進位表示 • 8'ha5; //hexadecimal 8位元的十六進位表示 • 8'd165; //decimal 8位元的十進位表示 • 8'o245; //octal 8位元的八進位表示

16. 負數 • -8’d3; //8bit以二補數法表示(-3) • 4’d-2; //錯誤的寫法

17. 數值 • 12’h13z; //一個z在十六進制代表四位元的高阻抗 • 12’h12x; //一個x在十六進制代表四位元的不確定值 • 8’b0011_1010; //加上”_”可以方便閱讀，並不會影響數值 • //但第一位元不能加低線

18. 運算元(Operators) • 單元(Unary)運算子:放在運算元前面。 ex. assign a=~b; //"~",1位元反向。 • 二元(Binary)運算元:放在兩個運算元之間。 ex. assign a=b&c; //"&",1位元寬度的AND動作。 • 三元(Ternary)運算子:條件運算子 ex. assign out=select? a :b; //當select為1(true)時，out=a; //當select為0(false)時，out=b;

19. 運算子種類

20. 運算子優先順序

21. 模組結構

22. 模組的基本架構 moduletest(A, B, C, D, E); output D, E; input A, B, C; wire w1; reg r; ............... .............. endmodule

23. 模組的基本架構new moduletest(output D, E, input A,B,C); wire w1; reg r; ............... .............. endmodule 注意：分號有無

24. 對映方式 • by order • by name module dff(din,clock,q) input din,clock; output q; reg q; always@(posedge clock) q = din; endmodule

25. 2_1多工器 module mux2_1(ma,mb,s,mout) input ma,mb,s; output mout; assign mout = s? ma:mb; endmodule

26. 正反器輸出選擇—by order module dff_sef(da,db,sel,clk,q) input da,db,sel,clk; output q; wire qa,qb; dff dff1(da,clk,qa); dff dff2(db,clk,qb); mux2_1 mux(qa,qb,sel,q) endmodule

27. 正反器輸出選擇—by name module dff_sef(da,db,sel,clk,q) input da,db,sel,clk; output q; wire qa , qb; dff dff1(.din(da),.clock(clk),.q(qa)); dff dff2(.din(db),.clock(clk),.q(qb)); mux2_1 mux(qa,qb,sel,q) endmodule

28. 模組範例1 modulehalf_adder (output S, C, input x, y); xor (S, x, y); and (C, x, y); endmodule modulefull_adder (output S, C, input x, y, z); wire S1, C1, C2; half_adder HA1 (S1, C1, x, y); half_adder HA2 (S, C2, S1, z); or G1 (C, C2, C1); endmodule moduleripple_carry_4_bit_adder ( output [3: 0] Sum, output C4, input [3:0] A, B, input C0); wire C1, C2, C3; full_adder FA0 (Sum[0], C1, A[0], B[0], C0) , FA1 (Sum[1], C2, A[1], B[1], C1), FA2 (Sum[2], C3, A[2], B[2], C2) , FA3 (Sum[3], C4, A[3], B[3], C3) ; endmodule

29. 模組範例2 modulehalf_adder (output S, C, input x, y); xor (S, x, y); and (C, x, y); endmodule modulefull_adder (output S, C, input x, y, z); wire S1, C1, C2; half_adder HA1 (S1, C1, x, y); half_adder HA2 (S, C2, S1, z); or G1 (C, C2, C1); endmodule module ripple_carry_4_bit_adder ( output [3: 0] Sum, output C4, input [3:0] A, B, input C0); wireC1, C2, C3; full_adder FA0 (Sum[0], C1, A[0], B[0], C0) ; full_adder FA1 (Sum[1], C2, A[1], B[1], C1) ; full_adder FA2 (Sum[2], C3, A[2], B[2], C2) ; full_adder FA3 (Sum[3], C4, A[3], B[3], C3) ; endmodule

30. 四種描述層次 • Switch level最低層次，設計者需知道電晶體的元件特性。 • Gate level模組是由Logic gates所構成的，使用原始閘以及使用者定義模組的實例(instantiation)。 • Dataflow level說明資料如何在暫存器中儲存和傳送，和資料處理的方式。使用具有關鍵字assign之連續指定敘述。 • Behavioral level只考慮模組中的功能和函數，不必考慮硬體方面的詳細電路，如同是在寫C語言一樣。使用具有關鍵字always之程序指定敘述。

31. Gate level • and/nand/or/nor/xor/xnor • buffer、not • bufif1, bufif0, notif1, notif0

32. 基本邏輯閘 1 • and/nand/or/nor/xor/xnor nand g1(out,in1,in2,in3) ;//別名 and (out,in1,in2) ; //沒有別名 第一腳輸出，其餘當輸入

33. 基本邏輯閘 2 • buffer、not 閘的使用 buf b1(out, in) ; not n1(out, in) ; • bufif1, bufif0, notif1, notif0 bufif1 (outb, inb, ctrlb) notif0 element0(outn, inn,ctrln)

34. 三態閘 • gate name (output, input, control); • bufif1, bufif0, notif1, notif0 • bufif1 (outb, inb, ctrlb) • notif0 element0(outn, inn,ctrln)

35. 簡單範例 module Simple_Circuit (A, B, C, D, E); output D, E; input A, B, C; wire w1; and G1 (w1, A, B); // instance name可有可無 not G2 (E, C); or G3 (D, w1, E); endmodule

36. 練習

37. 上機模擬練習7-1

38. 閘延遲 • timescale directive (編譯指引) • ‘timescale 1 ns/100ps(時間單位/解析度) • 例:‘timescale 10ns/1nsnand #10 g1(f,x,y);10*10=100ns 則此nand 閘傳播延遲100ns

39. 閘延遲 module Simple_Circuit_prop_delay (A, B, C, D, E); output D, E; input A, B, C; wire w1; and #(30) G1 (w1, A, B); not #(10) G2 (E, C); or #(20) G3 (D, w1, E); endmodule

40. 閘延遲範例 ‘timescale 1 ns/1ns module prog_ex(x, y, z, f); input x, y, z; output f; // internal declaration wire a, b, c; // internal net // logic circuit body and #5 a1 (b,x,y); //AND p_delay not #10 n1 (a,x); and #5 a2 (c,a,z); or #5 o2 (f,b,c); endmodule

41. 上機模擬練習7-2

42. 測試平台 `timescale 1 ns / 100 ps module t_Simple_Circuit_prop_delay; wire D, E; reg A, B, C; Simple_Circuit_prop_delay M1 (A, B, C, D, E); // Instance name required initial begin A = 1'bx; B = 1'bx; C = 1'bx; A = 1'b0; B = 1'b0; C = 1'b0; #100 A = 1'b1; B = 1'b1; C = 1'b1; #100 $finish; end initial $monitor($time,,"A = 5b B= %b C = %b w1 = %b D = %b E = %b", A, B, C, D, M1.w1, E); endmodule

43. 2對4高態輸出解碼器 `timescale 1ns / 1ps module decoder2_4( input a, //a MSB input b, output [3:0] y ); wire an,bn; not(an,a); not(bn,b); and(y[0],an,bn); and(y[1],an,b); and(y[2],a,bn); and(y[3],a,b); endmodule

44. 1 bit 比較器 `timescale 1ns / 1ps modulecomparator_1bit( input a, input b, output eq, output gt, output lt ); wire an,bn,a0b0,a1b1; not(an,a); not(bn,b); and(a1b1,a,b); nor(a0b0,a,b); //NOR gate or(eq,a0b0,a1b1); and(gt,a,bn); and(lt,an,b); endmodule

45. 2 bit 比較器方塊圖

46. 2 bit 比較器 `timescale 1ns / 1ps modulecomparator_2bit( input [1:0] a, input [1:0] b, output eq2, output gt2, output lt2 ); wire equal_1,large_1,small_1; wire equal_2,large_2,small_2; wire gla,lla; and( gla, large_1, equal_2 ); and( lla, small_1, equal_2 ); comparator_1bit element1(.eq(equal_1), .gt(large_1), .lt(small_1), .a(a[0]), .b(b[0])); comparator_1bit element2(.eq(equal_2), .gt(large_2), .lt(small_2), .a(a[1]), .b(b[1])); and( eq2, equal_1, equal_2 ); or( gt2, gla, large_2 ); or( lt2, lla, small_2 ); endmodule

47. 上機模擬練習7-3 • 多模組編輯

48. 上機模擬練習7-4 • 一程式有許多模組(不建議此方式)

49. 上機模擬練習7-5 • HDL+電路圖方式 • 利用HDL製作基本元件 • 主程式以繪圖方式達成系統功能

50. 2對1多工器 `timescale 1ns / 1ps modulemux_2_1_gate( input a, input b, input s, output y ); wire s0,sa,sb; not( s0, s ); and( sa, a, s0 ); and( sb, b, s ); or( y, sa, sb ); endmodule