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HDLBits: 在线学习 SystemVerilog（五）-Problem 19-23

HDLBits 是一组小型电路设计习题集，使用 Verilog/SystemVerilog 硬件描述语言 (HDL) 练习数字硬件设计~

网址如下：

https://hdlbits.01xz.net/

关于HDLBits的Verilog实现可以查看下面专栏：

https://www.zhihu.com/column/c_1131528588117385216

缩略词索引：

SV:SystemVerilog

Problem 19-Module

从这题开始会接触到一个“熟悉的陌生人”-模块module

截止目前，我们已经对 Verilog 中模块这一概念建立了初步的印象：模块是一个电路，通过输入输出端口和外部的电路联系。无论多大，多复杂的数字电路都是由一个个模块以及其他组成部分（比如 assign 赋值语句以及 always 过程块）互相连接所构成的。在一个模块中可以例化下一级的模块，这就形成了层级的概念（hierarchy）。

模块例化的基本语法：模块名实例名（定义连接 port 的信号）;

比如 mod_a instance1 ( wa, wb, wc );

模块信号连接的三种方式：

在实例化模块时，使用Verilog时有两种常用的方式来进行模块端口的信号连接：按端口顺序以及按端口名称连接端口。

按端口顺序，mod_a instance1 ( wa, wb, wc ); wa, wb, wc 分别连接到模块的第一个端口（in1），第二个端口（in2）以及第三个端口（out）。这里所谓的端口顺序指的是模块端口的定义顺序。这种方式的弊端在于，一旦端口列表发生改变，所有模块实例化中的端口连接都需要改变。

按端口名称，mod_a instance2 ( .out(wc), .in1(wa), .in2(wb) ); 在这种方式中根据端口名称指定外部信号的连接。这样一来就和端口声明的顺序完全没有关系。一旦模块出现改动，只要修改相应的部分即可。实际上，一般都使用这种方式来进行模块实例化。

这里建议初学者统一使用按端口名称进行模块例化，避免不必要的功能错误。

题目说明

在上面已经定义了一个模块mod_a，请例化该模块，下图时模块mod_a定义。

图片来自 HDLBits

这个题目的核心就是将上面的图片里的模块mod_a进行例化。

模块端口声明

moduletop_module(inputa,inputb,outputout);

题目解析

这个题目重点是模块例化，可以使用上面介绍的任何一种方式（按端口顺序以及按端口名称连接端口）。

moduletop_module(inputlogica,inputlogicb,outputwirelogicout);

mod_am1(
.in1(a),
.in2(b),
.out(out)
);

endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 20-Module_pos

题目说明

这道题也和上一题一样，给出了一个模块mod_a，该模块按顺序具有 2 个输出和 4 个输入。必须将6个端口按位置顺序与顶层的端口out1，out2，a，b，c和d相连接。

模块端口声明

moduletop_module(
inputa,
inputb,
inputc,
inputd,
outputout1,
outputout2
);

题目解析

这道题难度不大，和上一题类似，加大对模块例化的理解。

moduletop_module(
inputlogica,b,c,d,
outputwirelogicout1,out2
);
mod_am1(
out1,
out2,
a,
b,
c,
d
);

endmodule

在本题中对于给出的模块来说，我们并不知道mod_a这个模块的端口名是什么，所以对于本题来说，只能按照位置的顺序来连接。

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 21-Module_name

题目说明

这道题和上一题一样，给出了一个名为mod_a的模块，该模块按某种顺序具有2个输出和4个输入。必须将6个端口通过按名字的方法与顶层的端口相连接。

图片来自 HDLBits

mod_a的定义如下：

modulemod_a(outputout1,outputout2,inputin1,inputin2,inputin3,inputin4);

图片来自 HDLBits

模块端口声明

moduletop_module(
inputa,
inputb,
inputc,
inputd,
outputout1,
outputout2
);

题目解析

本题考查的和上一题一样，只不过上一题没有给出mod_a的端口定义，这一题给出了端口定义，所以我们需要使用按端口名称来例化模块。

moduletop_module(
inputlogica,
inputlogicb,
inputlogicc,
inputlogicd,
outputwirelogicout1,
outputwirelogicout2
);

mod_am1(
.out1(out1),
.out2(out2),
.in1(a),
.in2(b),
.in3(c),
.in4(d)
);
endmodule

这道题有人觉得和上一道题一样，也是同样使用上一道题进行解答，但是会报错，这是因为出题者考虑到了这种问题，所以题目给出的out1, out2, a, b, c, d不是mod_a正确的顺序，只能按照名称去例化。

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 22-Module_shift

题目说明

给定一个名为my_dff（实现 D 触发器功能）模块，该模块具有两个输入和一个输出。实例化三次，将它们链接在一起制作一个长度为 3 的移位寄存器。clk端口需要连接到所有实例。

提供的模块是：

modulemy_dff(inputclk,inputd,outputq);

请注意，要建立内部连接，需要声明一些wire。wire和模块例化时候命名要小心：名称必须是唯一的。

图片来自 HDLBits

问题的核心就是上面的图片，例化和连线需要注意。

模块端口声明

moduletop_module(inputclk,inputd,outputq);

题目解析

这个题目还是模块例化，需要理解例化的概念。需要将第一个例化的输出，作为第二个例化模块的输入，以此类推。

moduletop_module(inputlogicclk,
inputlogicd,
outputlogicq
);

wirelogicq0,q1;

my_dfff1(
.clk(clk),
.d(d),
.q(q0)
);

my_dfff2(
.clk(clk),
.d(q0),
.q(q1)
);

my_dfff3(
.clk(clk),
.d(q1),
.q(q)
);

endmodule

点击Submit，等待一会就能看到下图结果：

注意图中的Ref是参考波形，Yours是你的代码生成的波形，网站会对比这两个波形，一旦这两者不匹配，仿真结果会变红。

这一题就结束了。

Problem 23-Module shift8

本题是上一题的扩展。使用向量作为端口的连线。正如Verilog的语法一样，端口的向量长度不必与连接到它的导线匹配，但这将导致向量的零填充或截断。在本练习中不使用具有不匹配的向量连接。

题目说明

给出了一个名为my_dff8的模块，包含两个输入和一个输出(实现一个8bit的D触发器)。请实例化三次，并将它们连接在一起，形成一个长度为3的8bit移位寄存器。此外，再写出一个4选1多路复用器(未提供模块模型)，根据输入的sel[1:0]选择要输出的内容：输入D的值，在第一个D触发器之后的值，第二个或第三个D触发器之后的值。(可以说sel选择的是输入延迟的的周期数，0~3个时钟周期不等。)

图片来自 HDLBits

这个题目的核心就是将上面的图片里的模块my_dff8进行例化。

模块端口声明

moduletop_module(
inputclk,
input[7:0]d,
input[1:0]sel,
output[7:0]q
);

题目解析

这个题目重点是模块例化，和上一题差不多，注意一下向量定义及端口连接即可。

moduletop_module(
inputclk,
inputlogic[7:0]d,
inputlogic[1:0]sel,
outputlogic[7:0]q
);
logic[7:0]q0,q1,q2;

my_dff8d0(
.clk(clk),
.d(d),
.q(q0)
);

my_dff8d1(
.clk(clk),
.d(q0),
.q(q1)
);

my_dff8d2(
.clk(clk),
.d(q1),
.q(q2)
);

always_combbegin
uniquecase(sel)
2'b00:
q=d;
2'b01:
q=q0;
2'b10:
q=q1;
2'b11:
q=q2;
default:
q=2'bzz;
endcase
end


endmodule

这题中，涉及到了SV的组合逻辑设计，基本语法和Verilog类似，主要涉及到了一个unique决策修饰符，使用unique会指示综合编译器可以并行计算case项。这部分内容会在SV的系列教程里继续展开描述。