HDLBits——Modules：Hierarchy
目录
- HDLBits——Modules：Hierarchy
- 问题19 Module
- 将信息连接到端口
- By position
- By name
- 问题20 Connecting ports by position(Module pos)
- 问题21 Connecting ports by name(Module name)
- 问题22 Three modules(Module shift)
- 问题23 Modules and vectors(Module shift8)
- 问题24 Adder 1(Module add)
- 问题25 Adder 2(Module fadd)
- 问题26 Carry-select adder (Module cseladd)
- 问题27 Adder–subtractor (Module addsub)
- 结语
问题19 Module
下图显示了一个带有子模块的简单的电路。在本练习中，创建模块 mod_a 的一个实例，然后将模块的三个引脚（in1、in2 和 out）连接到顶层模块的三个端口（线 a、b 和 out）。模块 mod_a 是为您提供的——您必须实例化它。
将信息连接到端口
将物理电线连接到端口有两种常用的方法： by position or by name. 按位置或按名称。
By position
按位置将电线连接到端口的语法应该很熟悉，因为它使用类似 C 的语法。实例化模块时，端口根据模块的声明从左到右连接。例如：
mod_a instance1 (wa,wb,wc);这会实例化一个 mod_a 类型的模块，并给它一个实例名称“instance1”，然后将信号 wa（在新模块外部）连接到新模块的第一个端口（in1），将 wb 连接到第二个端口（in2），然后wc 到第三个端口（out）。
By name
按名称将信号连接到模块的端口可以使电线保持正确连接，即使端口列表发生更改。然而，这种语法更加冗长。
mod_a instance2 ( .out(wc), .in1(wa), .in2(wb) );上面的行实例化了一个名为“instance2”的 mod_a 类型的模块，然后将信号 wa（模块外部）连接到名为 in1 的端口，将 wb 连接到名为 in2 的端口，将 wc 连接到名为 out 的端口。请注意，端口的顺序在这里是不相关的，因为无论其在子模块的端口列表中的位置如何，都将连接到正确的名称。还要注意此语法中端口名称前面的句点。
module top_module ( input a, input b, output out );
mod_a instance2 (.out(out),
.in1(a),
.in2(b)
);
endmodule问题20 Connecting ports by position(Module pos)
这个问题和上一个问题19类似。您将获得一个名为 mod_a 的模块，该模块按顺序具有 2 个输出和 4 个输入。您必须按位置将 6 个端口按顺序连接到顶层模块的端口 out1、out2、a、b、c 和 d。
您将获得以下模块：
module mod_a ( output, output, input, input, input, input );
module top_module (
input a,
input b,
input c,
input d,
output out1,
output out2
);
mod_a mod_a (
out1,
out2,
a,
b,
c,
d
);
endmodule
问题21 Connecting ports by name(Module name)
您将获得一个名为 mod_a 的模块，该模块按某种顺序具有 2 个输出和 4 个输入。您必须按名称将 6 个端口连接到顶层模块的端口：
您将获得以下模块：
module mod_a ( output out1, output out2, input in1, input in2, input in3, input in4);
module top_module (
input a,
input b,
input c,
input d,
output out1,
output out2
);
mod_a mod_a(
.in1(a),
.in2(b),
.in3(c),
.in4(d),
.out1(out1),
.out2(out2)
);
endmodule
问题22 Three modules(Module shift)
您将获得一个带有两个输入和一个输出的模块 my_dff（实现 D 触发器）。将其中三个实例化，然后将它们链接在一起以制成长度为 3 的移位寄存器。 clk 端口需要连接到所有实例。
提供给你的模块是：
module my_dff(input clk, input d, output q);请注意，要建立内部连接，您需要声明一些连线。命名你的连线和模块实例时要小心：名称必须是唯一的。
module top_module ( input clk, input d, output q );
wire w1_2;
wire w2_3;
my_dff dff1(
.clk(clk),
.d(d),
.q(w1_2)
);
my_dff dff2(
.clk(clk),
.d(w1_2),
.q(w2_3)
);
my_dff dff3(
.clk(clk),
.d(w2_3),
.q(q)
);
endmodule
问题23 Modules and vectors(Module shift8)
本练习是 module_shift 的扩展。模块端口不再只是单个引脚，我们现在有带有向量作为端口的模块，您将连接线向量而不是普通线。与 Verilog 中的其他任何地方一样，端口的向量长度不必与连接到它的导线相匹配，但这会导致向量的零填充或截断。本练习不使用向量长度不匹配的连接。
您将获得一个带有两个输入和一个输出的模块 my_dff8（实现一组 8 个 D 触发器）。实例化其中三个，然后将它们链接在一起，形成一个长度为3的8位宽移位寄存器。此外，创建一个4对1多路复用器（未提供），该多路复用器根据sel[1:0]：输入d处、第一个d触发器之后、第二个d触发器之后或第三个d触发器之后的值来选择要输出的内容。（本质上，sel选择延迟输入的周期数，从零到三个时钟周期。）
提供给你的模块是：
module my_dff8(input clk, input [7:0] d, output [7:0] q);未提供多路复用器。一种可能的编写方法是在一个带有 case 语句的 always 块中。 （另见：mux9to1v）
module top_module (
input clk, //clock signal
input [7:0] d, //Enter 8 groups of data
input [1:0] sel, //2-bit selector
output [7:0] q //8-bit output
);
wire [7:0] w1_1,w1_2,w1_3; //8-bit output
my_dff8 my_dff81(
.clk(clk),
.d(d),
.q(w1_1)
);
my_dff8 my_dff82(
.clk(clk),
.d(w1_1),
.q(w1_2)
);
my_dff8 my_dff83(
.clk(clk),
.d(w1_2),
.q(w1_3)
);
always @(*) begin
case(sel)
0: begin q <= d; end
1: begin q <= w1_1; end
2: begin q <= w1_2; end
3: begin q <= w1_3; end
endcase
end
endmodule
问题24 Adder 1(Module add)
您将获得一个执行16位加法的模块add16。实例化其中两个以创建32位加法器。一个add16模块计算加法结果的低16位，而第二个add16模块在从第一个加法器接收进位后计算结果的高16位。您的32位加法器不需要处理进位（假设为0）或进位（忽略），但内部模块需要处理才能正常工作。（换句话说，add16模块执行16位a+b+cin，而您的模块执行32位a+b）。
如下图所示将模块连接在一起。提供的模块 add16 具有以下声明：
module add16(input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout);;
parameter z = 0;
wire w;
add16 add161(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(z),
.cout(w),
.sum(sum[15:0])
);
add16 add162(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(w),
.sum(sum[31:16])
);
endmodule
问题25 Adder 2(Module fadd)
在本练习中，您将创建具有两个层次结构的电路。您的 top_module 将实例化 add16 的两个副本（已提供），每个副本将实例化 add1 的 16 个副本（您必须编写）。
与module\u add一样，您也会得到一个执行16位加法的module add16。必须实例化其中的两个才能创建32位加法器。一个add16模块计算加法结果的低16位，而第二个add16模块计算结果的高16位。您的32位加法器不需要处理进位（假定为0）或进位（忽略）。
如下图所示将 add16 模块连接在一起。提供的模块 add16 具有以下声明：
module add16(input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout);在每个 add16 中，实例化了 16 个全加器（模块 add1，未提供）以实际执行加法。您必须编写具有以下声明的完整加法器模块：
module add1( input a, input b, input cin, output sum, output cout );
总之，本题中一共有三个模块：
-
top_module：包含两个16位加法器的顶层模块； -
add16（已给出）：一个16bit的加法器，由16个全加器构成； -
add（未给出）：1bit全加器。
module top_module (
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);//
wire w;
add16 add161(
.a(a[15:0]),
.b(b[15:0]),
.cin(1'b0),
.cout(w),
.sum(sum[15:0])
);
add16 add162(
.a(a[31:16]),
.b(b[31:16]),
.cin(w),
.sum(sum[31:16])
);
endmodule
module add1 ( input a, input b, input cin, output sum, output cout );
assign sum = a ^ b ^ cin;
assign cout = (a & b) | (a&cin) | (b & cin);
endmodule
问题26 Carry-select adder (Module cseladd)
问题25 实现的加法器叫做行波进位加法器（RCA: Ripple-Carry Adder），缺点是计算进位输出的延迟是相当慢的（最坏的情况下，来自于进位输入），前一级加法器计算完成之前，后一级加法器不能开始计算，使得加法器的计算延迟变大。
在本练习中，为您提供与前一练习相同的模块 add16，它将两个 16 位数字与进位相加，并产生一个进位和 16 位和。您必须使用您自己的 16 位 2 对 1 多路复用器来实例化其中的三个以构建进位选择加法器。
如下图所示将模块连接在一起。提供的模块 add16 具有以下声明：
module add16(input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout);
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);
wire [15:0] sum1;
wire [15:0] sum2;
wire [15:0] sum3;
wire cout;
assign sum = cout ? {sum3, sum1} : {sum2, sum1};
add16 add161(
.a (a[15:0] ),
.b (b[15:0] ),
.sum (sum1 ),
.cin (1'b0 ),
.cout (cout )
);
add16 add162(
.a (a[31:16] ),
.b (b[31:16] ),
.sum (sum2 ),
.cin (1'b0 ),
.cout ( )
);
add16 add163(
.a (a[31:16] ),
.b (b[31:16] ),
.sum (sum3 ),
.cin (1'b1 ),
.cout ( )
);
endmodule
问题27 Adder–subtractor (Module addsub)
减法器可以由加法器来构建，对其中一个数取相反数（逐位取反加1）即可。最终结果是一个可以执行两种操作的电路：(a + b + 0) 和 (a + ~b + 1)。如果您想更详细地了解该电路的工作原理，请参阅 Wikipedia。
为您提供了一个 16 位加法器模块，您需要对其进行两次实例化：
module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );当 sub 为 1 时，使用 32 位的异或门对 b 进行取反（这也可以被视为 b[31:0] 与 sub 复制 32 次相异或），同时 sub 信号连接到加法器的进位。
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
input sub,
output [31:0] sum
);
wire cout;
wire [31:0] b_com;
assign b_com = {32{sub}}^ b;
add16 add161(
.a (a[15:0] ),
.b (b_com[15:0] ),
.cin (sub ),
.cout (cout ),
.sum (sum[15:0] )
);
add16 add162(
.a (a[31:16] ),
.b (b_com[31:16] ),
.cin (cout ),
.cout ( ),
.sum (sum[31:16] )
);
endmodule
结语
注意巩固练习