(轉貼) Verilog与C++的类比 (IC Design) (Verilog) (C/C++)

轉貼自陳碩 的Verilog与C++的类比

1. Verilog中的module对应C++中的class。它们都可以实例化。例如可以写一个FullAdder module，表示全加器这种器件。

module FullAdder(a, b, cin, sum, cout);
  input a, b, cin;
  output sum, cout;

  assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule

然后在执行8-bit补码加减运算的ALU module中实例化8个FullAdder，表示ALU用到了8个FullAdder。

module ALU(a, b, result, cout, is_add);
  input[7:0]  a, b;
  input       is_add;
  output[7:0] result;
  output      cout;
  wire[7:0] b_not = ~b;
  wire[7:0] b_in = is_add ? b : b_not;
  wire[7:0] carry;
  assign carry[0] = is_add ? 1'b0 : 1'b1;

  // module 实例化
  // 8-bit ripple adder
  FullAdder fa0(a[0], b_in[0], carry[0], result[0], carry[1]);

  FullAdder fa1(a[1], b_in[1], carry[1], result[1], carry[2]);

  FullAdder fa2(a[2], b_in[2], carry[2], result[2], carry[3]);

  FullAdder fa3(a[3], b_in[3], carry[3], result[3], carry[4]);

  FullAdder fa4(a[4], b_in[4], carry[4], result[4], carry[5]);

  FullAdder fa5(a[5], b_in[5], carry[5], result[5], carry[6]);

  FullAdder fa6(a[6], b_in[6], carry[6], result[6], carry[7]);

  FullAdder fa7(a[7], b_in[7], carry[7], result[7], cout);

endmodule

对应在C++中先写FullAdder class，然后在ALU class中以FullAdder作为data member。

class FullAdder {
};

class ALU {
  FullAdder fa[8];
};

另外一点，moudle声明port的方式，像是从早期C语言的函数定义中学来的：

char* strcpy(dst, src)
    char* dst;
    char* src; 
{
    // 
}

2. Verilog中的模块调用时，指定端口可以使用名称绑定。C++在调用函数时，参数只能按顺序书写。例如memset()的原型是：

void *memset(void *s, int c, size_t n);

如果你想将某个buf清零，应该这么写：

char buf[256];
memset(buf, 0, sizeof(buf));

但是如果你不小心写成了：

memset(buf, sizeof(buf), 0);

编译器不会报错，但运行的实际效果是根本没有对buf清零。（记得Richard Stevens的书里提到过这一点。）

在Verilog中，如果要写一个测试ALU的module，那么其中对ALU实例化的指令可以这么写：

module alu_test;
  reg[8:0] a_in, b_in;
  reg     op_in;
  wire[7:0] result_out;
  wire      carry_out;

  ALU alu0(.a(a_in[7:0]), .b(b_in[7:0]), .is_add(op_in), .result(result_out), .cout(carry_out));
  // 

endmodule

这样就比较容易检查接线错误。

另外，在C++中，如果所有参数类型不同，而且之间没有隐式类型转换，那么可以利用C++的强类型机制在编译期检查出这种调用错误。

3. Verilog中把大括弧{}用作bit的并置，因此语句块要用begin/end标示。Verilog中小括号()和中括号[]的作用与C++中类似，前者用于函数或模块调用，后者用于下标索引。我想如果Verilog把尖括号<>用作bit并置的话，就能把大括号{}解放出来，用作标示语句块，这样写起来更舒服一些。

4. Verilog本质上是测试驱动开发的。对于每个module都应该有对应的test bench（或称test fixture）。比较好的情况是，一个工程师写module，另一个工程师写对应的test bench，这样很容易检查出对电路功能需求理解不一致的地方。因此还可以说Verilog主张结对编程(pair programming)。例如对前面的ALU module的test bench可以写成：

`timescale 1ns / 1ns
module alu_test;
  reg[8:0] a_in, b_in;
  reg     op_in;
  wire[7:0] result_out;
  wire      carry_out;

  ALU alu0(.a(a_in[7:0]), .b(b_in[7:0]), .is_add(op_in),  .result(result_out), .cout(carry_out));
  reg[9:0] get, expected;
  reg     has_error;

  initial begin
    has_error = 1'b0;
    op_in = 1'b1; // test addition

       for (a_in = 9'b0; a_in != 256; a_in = a_in + 1)
           for (b_in = 9'b0; b_in != 256; b_in = b_in + 1) begin
               #1;
               get = {carry_out, result_out};
               expected = a_in + b_in;
               if (get !== expected) begin
                  $display("a_in = %d, b_in = %d, expected %d, get %d", a_in, b_in, expected, get);
                  has_error = 1'b1;
               end
           end
       op_in = 1'b0; // test subtraction
       //  
       if (has_error === 1'b0) begin
           $display("ALL TESTS PASSED!");
       end
       $finish;
    end
endmodule

在C++中，既可以写concrete class，也可以写abstract class。比Verilog和VHDL都方便。

5. Verilog比起VHDL的不足之处在于，它只能定义concrete class，不能定义abstract class。也就是说interface和implementation不能分离。这在设计大型电路时就显得表现力不足。不过这关系不大，因为可以在编译时选择同一模块的不同实现版本，间接实现了接口与实现的分离。

在VHDL中，强制将接口与实现分离。对每个模块，你都得先写接口（定义输入输出信号），即ENTITY；然后至少写一份实现，即ARCHITECTURE。每个ENTITY可以有不止一份实现，例如可以有行为描述的，也有数据流描述的。然后在配置文件中选择该ENTITY到底用哪一份实现。举例来说（选自《VHDL入门·解惑·经典实例·经验总结》一书），分频器模块可以这么写，先定义其接口FreqDevider，然后定义两份实现Behavior和Dataflow：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.Std_Logic_1164.All;
ENTITY FreqDevider IS
  PORT
  ( Clock  : IN  Std_Logic;
    Clkout : OUT Std_Logic
  );
END;

ARCHITECTURE Behavior OF FreqDevider IS
  SIGNAL Clk : Std_Logic;
BEGIN
  PROCESS (Clock)
  BEGIN
    IF rising_edge(Clock) THEN
      Clk <= NOT Clk;
    END IF;
  END PROCESS;
  Clkout <= Clk;
END;

ARCHITECTURE Dataflow OF FreqDevider IS
-- signal declarations
BEGIN
-- processes
END;

6. Verilog和VHDL都有模板的概念，Verilog称为参数(parameter)，VHDL称为类属(generic)。不过好像都只能用整数作为模板参数，不能像C++那样用类型作为模板参数。

7. 目前来看，Verilog是硬件描述语言，不是硬件设计语言。在用Verilog设计电路的时候，我们是把脑子中想好的电路用Verilog“描述”出来：哪里是寄存器、哪里是组合逻辑、数据通路是怎样、流水线如何运作等等都要在脑子里有清晰的映象。然后用RTL代码写出来，经过综合器综合出的电路与大脑中的设想相比八九不离十。这就像说C语言是可移植的汇编语言，以前好的C程序员在写代码的时候，能够知道每条语句背后对应的汇编代码是什么。

See Also
(原創) 如何使用參數式模組? (SOC) (Verilog) (C/C++) (template)