1. Abstract

function和task语句的功能有很多的相似之处,在需要有多个相同的电路生成时,可以考虑使用它们来实现。因为个人使用它们比较少,所以对它们没有进行更深的了解,现在时间比较充裕,我想通过写几个简单的电路将它们二者的功能进行验证一下,看看究竟是怎么生成电路的。

2. Contents

    主要为测试function和task各自生成的电路,所以电路设计功能比较简单——4位BCD码转换成4位余3码。

文件开头的注释说明。

/* ---------------------------------------
Module Name: temp
Module Function: 将4位BCD码转换成为余3码,无效状态为4'b0000
Module Input: 4-bit data_in
Module Output: 4-bit data_out
Module Reference: None
Note: 码表如下
########################################
data_in data_out
0 4'b0000 4'b0011
1 4'b0001 4'b0100
2 4'b0010 4'b0101
3 4'b0011 4'b0110
4 4'b0100 4'b0111
5 4'b0101 4'b1000
6 4'b0110 4'b1001
7 4'b0111 4'b1010
8 4'b1000 4'b1011
9 4'b1001 4'b1100
10 4'b1010 4'b0000 无效
11 4'b1011 4'b0000 无效
12 4'b1100 4'b0000 无效
13 4'b1101 4'b0000 无效
14 4'b1110 4'b0000 无效
15 4'b1111 4'b0000 无效
---------------------------------------*/

2.1 直接使用组合逻辑电路生成BCD码转余3码。

module temp(data_in,data_out); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in; always @(data_in)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else data_out = data_in + 'd3;
end endmodule

用RTL视图查看一下生成出来的网表

FIG2.1 直接用组合逻辑生成的逻辑图

生成出来的电路由加法器、比较器和选择器构成,输入数据data_in + 3作为选择器的选择控制,下面做一下验证测试。

FIG2.2 测试仿真验证

2.2 用task语句编写组合电路

module temp(data_in,data_out); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in; always @(data_in)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else BCD2Access3(data_out,data_in);
end task BCD2Access3;
output [:] data_out;
input [:] data_in; data_out = data_in + 'd3;
endtask
endmodule

用RTL视图查看一下最后生成的网表。

FIG2.3 使用task语句生成出的逻辑图

仔细对比,FIG2.3和FIG2.1是一模一样的,也就是说采用task语句可以生成预期的逻辑图,非常成功!既然生成出的逻辑图都是一样的,测试部分在此就省略了吧,和FIG2.2应该是一样的。

2.3 用function语句编写组合逻辑

module temp(data_in,data_out); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in; always @(data_in)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else data_out = BCD2Access3(data_in);
end function [:] BCD2Access3;
input [:] data_in; BCD2Access3 = data_in + 'd3;
endfunction
endmodule

用RTL视图查看一下最后生成出来的网表。

FIG2.4 使用function语句生成出的逻辑图

相信已经很熟悉这个逻辑图了,与前面的FIG2.1一模一样,也就是说使用function语句也是可以生成预期的电路的,而且也是非常成功的!既然逻辑图都是与前面一致的,故测试部分……也省去了吧。

小结一下,用function和task语句都可以生成预期的逻辑电路,不过,查查语法书,可以知道task语句的适用性更广泛一点,更符合逻辑思维的习惯;function最大的好处就是可以有一个返回值,运算以后结果可以直接返回供调用的块使用。

在组合逻辑设计的过程中,写成可综合的电路可以达到预期的生成电路逻辑,那么在时序逻辑设计中,function和task语句又会生成出怎样的电路呢?还是以这一个电路功能为模板,值得注意的是,得额外加一个时钟信号。

2.4 直接使用时序逻辑编写的BCD码转余3码。

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in;
input clk; always @(posedge clk)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else data_out <= data_in + 'd3;
end endmodule

用RTL视图来看下生成出来的逻辑网表。

FIG2.5 直接用时序逻辑编写生成的逻辑网表

和上面生成的逻辑网表相比,多了一个锁存器,这也是典型的时序逻辑的特征,数据的变化只在clk的上升沿才有效。下面来做一下电路逻辑的验证。

FIG2.6 时序逻辑网表的验证

图确实有点小,可能看起来有点不方便,但逻辑的功能是正确的,每到clk的上升沿,数据更新一次,译码是正确的,为了方便看,再截取一部分出来吧,作为一个局部放大图。

FIG2.7 时序逻辑验证的局部放大图

直接用时序逻辑设计成功了,再尝试着用task语句和function语句实现,看看最后的效果会怎么样。

2.5 时序逻辑下使用task语句实现电路

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in;
input clk; always @(posedge clk)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else BCD2Access3(data_out,data_in);
end task BCD2Access3;
output [:] data_out;
input [:] data_in; data_out = data_in + 'd3;
endtask endmodule

用RTL视图来看一下生成的逻辑网表。

FIG2.8 使用task语句生成的逻辑网表

同样,仔细对照一下,发现FIG2.8和FIG2.6是一样的,也就是说在时序逻辑中使用task语句也是可以实现预期的电路的,非常的成功!和上述讨论的一样,既然逻辑图相同的话,验证的部分就略去了吧。

2.6 时序逻辑下用function语句实现电路

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [:] data_out;
input [:] data_in;
input clk; always @(posedge clk)
begin
if(data_in >= 'd10) data_out = 4'b0000;
else data_out <= BCD2Access3(data_in);
end function [:] BCD2Access3;
input [:] data_in; BCD2Access3 = data_in + 'd3;
endfunction endmodule

跟上面一样,用RTL视图来看看最后生成出来的电路。

FIG2.9 时序逻辑下使用function语句生成的逻辑网表

仔细对比,会发现跟如上的逻辑网表一样,也就是说在时序逻辑下使用function语句也是可以实现预期的电路的,非常的成功!逻辑网表一致的话,在此逻辑的验证容我略去吧。

小结一下,在时序逻辑的电路设计中,也可以使用task语句和function语句来实现电路。

在学习过程中,也不断的在看语法书,毕竟这一块是我不太熟悉的地方,现在将它们使用的一些要点整理出来,对如何使用和最后生成怎样的很有参考帮助。

task语句要点

(1)若用于任务中的命名变量或参数没有在任务块中声明,则指的是在模块中声明的命名变量或参数。

(2)任务中的input,output和inout的个数不受限制(也可以为0个)。(任务可以没有参数)

(3)任务中的变量(包括输入(input)和双向端口(inout))可以声明为寄存器型。如果没有明确地声明,则默认为寄存器类型,且其位宽与相应的变量匹配。

(4)当启动任务时,相应于任务的输入和双向端口(inout)的变量表达式的值被存入相应的变量寄存器中。当任务结束时,输入和双向端口(inout)的变量寄存器中的值又被代入启动任务的语句中相应的表达式。

电路综合参考:包含时序控制语句的任务是不可综合的。启动的任务往往被综合成组合逻辑。

function语句要点

(1)函数必须至少有一个输入变量,不能有任何输出或输入/输出双向变量(output 和inout类型)。

(2)函数不能包含时间控制语句(如延迟#、事件控制@或者等待wait)。

(3)函数是通过对函数名赋值的途径返回其值的,就好比是一个寄存器。

(4)函数不能启动任务。

(5)函数不能被禁用。(特指应用于编写测试文件)

电路综合参考:函数的每一次调用都被综合为一个独立的组合逻辑电路块。

3.Conclusion

总体来说,task的功能更加符合硬件逻辑设计的习惯,而且语法中对它的限制比较少。而且它们最终生成的电路都是组合逻辑,所以在需要产生多个相同的模块时,可以采用由它们构成。

4.Platform

Quartus II 9.1 Build 222 Full Version

5.Reference

[1] Verilog 数字系统设计教程(第2版) 夏宇闻

[2] Advanced Digital Design with the Verilog HDL (Second Edition) Michael D.Ciletti

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