通過模塊之間的調用實現自頂向下的設計

練習十. 通過模塊之間的調用實現自頂向下的設計目的：學習狀態機的嵌套使用實現層次化、結構化設計。
現代硬件系統的設計過程與軟件系統的開發相似，設計一個大規模的集成電路的往往由模塊多層次的引用和組合構成。層次化、結構化的設計過程，能使復雜的系統容易控制和調試。 在Verilog HDL中，上層模塊引用下層模塊與C語言中程序調用有些類似，被引用的子模塊在綜合時作為其父模塊的一部分被綜合，形成相應的電路結構。在進行模塊實例引用時，必須注意的是模塊之間對應的端口，即子模塊的端口與父模塊的內部信號必須明確無誤地一一對應，否則容易產生意想不到的后果。
下面給出的例子是設計中遇到的一個實例，其功能是將并行數據轉化為串行數據送交外部電路編碼，并將解碼后得到的串行數據轉化為并行數據交由CPU處理。顯而易見，這實際上是兩個獨立的邏輯功能，分別設計為獨立的模塊，然后再合并為一個模塊顯得目的明確、層次清晰。
// ---------------- p_to_s.v ---------------------------------
module p_to_s(D_in,T0,data,SEND,ESC,ADD_100);
output D_in,T0; // D_in是串行輸出，T0是移位時鐘并給
// CPU中斷，以確定何時給出下個數據。
input [7:0] data; //并行輸入的數據。
input SEND,ESC,ADD_100; //SEND、ESC共同決定是否進行并到串
//的數據轉化。ADD_100決定何時置數。
wire D_in,T0;
reg [7:0] DATA_Q,DATA_Q_buf;

assign T0 = ! (SEND ESC); //形成移位時鐘。.
assign D_in = DATA_Q[7]; //給出串行數據。

always @(posedge T0 or negedge ADD_100) //ADD_100下沿置數，T0上沿移位。
begin
if(!ADD_100)
DATA_Q = data;
else
begin
DATA_Q_buf = DATA_Q1; //DATA_Q_buf作為中介，以令綜合器
DATA_Q = DATA_Q_buf; //能辨明。
end
end
endmodule
在p_to_s.v中，由于移位運算雖然可綜合，但是不是簡單的RTL級描述，直接用DATA_Q=DATA_Q1的寫法在綜合時會令綜合器產生誤解。另外，在該設計中，由于時鐘T0的頻率較低，所以沒有象以往那樣采用低電平置數，而是采用ADD_100的下降沿置數。
//--------------------- s_to_p.v ---------------------------
module s_to_p(T1, data, D_out,DSC,TAKE,ADD_101);
output T1; //給CPU中斷，以確定CPU何時取轉化
//得到的并行數據。
output [7:0] data;
input D_out, DSC, TAKE, ADD_101; //D_out提供輸入串行數據。DSC、TAKE
//共同決定何時取數。
wire [7:0] data;
wire T1,clk2;
reg [7:0] data_latch, data_latch_buf;

assign clk2 = DSC TAKE ; //提供移位時鐘。
assign T1 = !clk2;

assign data = (!ADD_101) ? data_latch : 8bz;
always@(posedge clk2)
begin
data_latch_buf = data_latch 1; //data_latch_buf作緩沖
data_latch = data_latch_buf; //，以令綜合器能辯明。
data_latch[0] = D_out;
end
endmodule
將上面的兩個模塊合并起來的sys.v的源代碼：
//------------------- sys.v ---------------------------
`include ./p_to_s.v
`include ./s_to_p.v
module sys(D_in,T0,T1, data, D_out,SEND,ESC,DSC,TAKE,ADD_100,ADD_101);
input D_out,SEND,ESC,DSC,TAKE,ADD_100,ADD_101;
inout [7:0] data;
output D_in,T0,T1;

p_to_s p_to_s(.D_in(D_in),.T0(T0),.data(data),
.SEND(SEND),.ESC(ESC),.ADD_100(ADD_100));
s_to_p s_to_p(.T1(T1),.data(data),.D_out(D_out),
.DSC(DSC),.TAKE(TAKE),.ADD_101(ADD_101));

endmodule
測試模塊源代碼：
//-------------Top test file for sys.v ------------------
`TImescale 1ns/100ps
`include ./sys.v
module Top;
reg D_out,SEND,ESC,DSC,TAKE,ADD_100,ADD_101;
reg[7:0] data_buf;
wire [7:0] data;
wire clk2;
assign data = (ADD_101) ? data_buf : 8bz;
//data在sys中是inout型變量，ADD_101
//控制data是作為輸入還是進行輸出。
assign clk2 =DSC TAKE;
iniTIal
begin
SEND = 0;
ESC = 0;
DSC = 1;
TAKE = 1;
ADD_100 = 1;
ADD_101 = 1;
end
iniTIal
begin
data_buf = 8b10000001;
#90 ADD_100 = 0;
#100 ADD_100 = 1;
end
always
begin
#50;
SEND = ~SEND;
ESC = ~ESC;
end
iniTIal
begin
#1500 ;
SEND = 0;
ESC = 0;
DSC = 1;
TAKE = 1;
ADD_100 = 1;
ADD_101 = 1;
D_out = 0;
#1150 ADD_101 = 0;
#100 ADD_101 =1;
#100 $stop;
end
always
begin
#50 ;
DSC = ~DSC;
TAKE = ~TAKE;
end
always @(negedge clk2) D_out = ~D_out;
sys sys(.D_in(D_in),.T0(T0),.T1(T1),.data(data),.D_out(D_out),
.ADD_101(ADD_101), .SEND(SEND),.ESC(ESC),.DSC(DSC),
.TAKE(TAKE),.ADD_100(ADD_100));
endmodule
仿真波形：[[wysiwyg_imageupload:255:]]
練習：設計一個序列發生器。要求根據輸入的8位并行數據輸出串行數據,如果輸入數據在0—127之間則輸出一位0，如果輸入數據在128—255之間則輸出一位1，同步時鐘觸發；并且和范例8的序列檢測器搭接，形成一個封閉系統。編寫測試模塊，并給出仿真波形。