Verilog 門的類型

關(guān)鍵詞：三態(tài)門， 上下拉， 選擇器

門級建模，是使用基本的邏輯單元，例如與門，與非門等，進(jìn)行更低級抽象層次上的設(shè)計(jì)。與行為級建模相比，門級建模更注重硬件的實(shí)現(xiàn)方法，即通過連接一些基本門電路去實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能。雖然行為級建模最后也會被綜合成基本的門級電路網(wǎng)絡(luò)，但對于復(fù)雜的設(shè)計(jì)來說，行為級建模的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于門級建模。所以目前 Verilog 大多數(shù)用于描述數(shù)字設(shè)計(jì)的行為級層次（RTL），一般只注重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的算法或流程，而不用特別關(guān)心具體的硬件實(shí)現(xiàn)方式。

有些設(shè)計(jì)，例如門控時鐘，就需要使用基本門單元，來增加電路的可控性與可靠性。

多輸入門

多輸入門只有單個輸出，有單個或多個輸入端。Verilog 內(nèi)置多輸入門如下：

?and?(與門） ?nand?(與非門） ?or?(或門） ?nor?(或非門） ?xor?(異或門) ?xnor?(同或門)

使用基本的邏輯門單元去實(shí)現(xiàn)一些簡單的邏輯功能時，使用模塊例化的方式即可。

門級單元第一個端口是輸出，后面端口是輸入，例化調(diào)用時需要注意。

門級單元實(shí)例調(diào)用的時候，也可以不指定實(shí)例的名字，這為代碼編寫提供了方便。

當(dāng)輸入端口超過 2 個時，只需將輸入信號在端口列表中繼續(xù)排列即可，Verilog 可自動識別。

   //basic gate instantiation
   and  a1      (OUTX,  IN1, IN2) ;
   nand na1     (OUTX1, IN1, IN2) ;
   or   or1     (OUTY,  IN1, IN2) ;
   nor  nor1    (OUTY1, IN1, IN2) ;
   //3 input
   xor xor1     (OUTZ,  IN1, IN2, IN3) ;
   //no instantiation name
   xnor         (OUTZ1, IN1, IN2) ;

多輸入門的真值表如下，注意輸出不會出現(xiàn) ?Z?。

多輸出門

多輸出門只有單個輸入，有單個或多個輸出端，又可稱之為 buffer，起緩沖、延時作用。

內(nèi)置多輸入門如下：

buf(緩沖器)  
not(非門)

和多輸入門類似，可以使用模塊例化的方式對多輸出門進(jìn)行調(diào)用。

門級單元第一個端口是輸出，最后一個端口是輸入。當(dāng)輸出端口超過 1 個時，需將輸出信號在最后一個輸入端口前排列。

例化時也可以不指定實(shí)例的名字。

   //buf
   buf buf1     (OUTX2, IN1) ;
   //2 output
   buf buf2     (OUTY2, OUTY3, IN2) ;
   //no instantiation name
   not          (OUTZ3, IN3) ;

多輸出門的真值表如下，注意輸出不會出現(xiàn) ?Z?。

三態(tài)門

Verilog 中還提供了 4 個帶有控制端的 buffer 門單元，稱為三態(tài)門。只有當(dāng)控制信號有效時，數(shù)據(jù)才能正常傳遞，否則輸出為高阻抗?fàn)顟B(tài) ?Z?。

4 個三態(tài)門名稱及符號如下：

例化時，三態(tài)門第一個端口為輸出端，第二個端口為數(shù)據(jù)輸入端，第三個端口為控制輸入端。例化時信號排列順序要一致。

三態(tài)門不支持輸出端口超過 1 個，但例化時可以不指定實(shí)例的名字。

   //tri
   bufif1 buf1     (OUTX, IN1, CTRL1) ;
   bufif0 buf2     (OUTY, IN1, CTRL2) ;
   notif1 buf3     (OUTZ, IN1, CTRL3) ;
   //no instantiation name
   notif0          (OUTX1, IN1, CTRL4) ;

三態(tài)門的真值表如下。

表中有些為可選項(xiàng)，例如，?1/z? 表明，根據(jù)輸入端和控制端的信號強(qiáng)度，輸出端既可能為 1，也可能為 ?z?。

利用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)可配置輸入輸出 PAD 功能的例程，可參見該教程《Verilog 開關(guān)級建模》一節(jié)。

利用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)可配置上下拉 PAD 功能的例程，可參見《Verilog 教程》的《Verilog 模塊與端口》一章。

上下拉電阻

上拉是將不確定的信號通過一個電阻鉗制在一個高電平。

下拉是將不確定的信號通過一個電阻與地相連，固定在低電平。

模塊端口的上拉或下拉電阻，具有限流、提高驅(qū)動能力、防靜電等作用，可以有效保護(hù)電路。

當(dāng)信號方向?yàn)檩斎肭覜]有輸入信號（高阻態(tài)）時，上拉會將該信號的邏輯值置為 1，下拉會將該信號的邏輯值置為 0。

Verilog 提供了為信號設(shè)置上、下拉電阻的邏輯門單元，多用于模塊端口信號。

此類門單元沒有輸入，只有輸出。關(guān)鍵字如下：

pullup(設(shè)置上拉)   
pulldown(設(shè)置下拉)

例化調(diào)用時，只需填寫需要設(shè)置上下拉電阻的信號即可。

實(shí)例的名字也可以不指定。

   pullup  p1      (IN1);
   pulldown        (OUTX);

此處設(shè)置上下拉電阻后就不能再更改。在《Verilog 教程》的《Verilog 模塊與端口》一章中，利用三態(tài)門 buffer 實(shí)現(xiàn)了可配置上下拉 PAD 功能的實(shí)例，歡迎參考。

4 選 1 多路選擇器

下面對比四選一選擇的實(shí)現(xiàn)方式，來說明門級建模較行為級建模的繁瑣性。

輸入為 A、B、C、D，輸出為 F，選擇信號為 SEL1、SEL0，則 4 路選擇器的表達(dá)式為：

門級建模如下：

module mux4to1_gate(
      input       A, B, C, D ,
      input       S0, S1,
      output      F );
   //reversing
   wire         S0R, S1R ;
   not  (S0R, S0) ;
   not  (S1R, S1) ;
   //logic and
   wire         AAND, BAND, CAND, DAND ;
   and  (AAND, A, S1R, S0R);
   and  (BAND, B, S1R, S0);
   and  (CAND, C, S1,  S0R);
   and  (DAND, D, S1,  S0);
   //logic or
   or (F, AAND, BAND, CAND, DAND) ;
endmodule

行為級建模如下：

module mux4to1_behavior(
   input       A, B, C, D ,
   input       S0, S1,
   output      F );
   assign F = {S1, S0} == 2'b00 ? A :
               {S1, S0} == 2'b01 ? B :
               {S1, S0} == 2'b10 ? C :
               {S1, S0} == 2'b11 ? D : 0 ;
endmodule

雖然行為級建模綜合后的結(jié)果可能與門級建模一致，但是在設(shè)計(jì)時，顯然行為級建模有更好的可讀性、簡潔性。

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