Практическое гейтовое дизайнирование в Verilog: AND, OR, NOT гейты и 2x1 мультиплексор

В предыдущей статье рассматривались основные встроенные примитивы. Здесь — практические примеры использования простых and, nor, not гейтов.

Для написания Verilog-кода с гейтами нужно знать, как соединять элементы. Это принципиально отличается от поведенческого описания, где выбор и соединение элементов оставляются инструментам синтеза.

Пример #1: 2x1 Мультиплексор

Выход модуля должен быть типа wire для соединения с выходом порта примитива.

module mux_2x1 (
  input a, b, sel,
  output out
);
  wire sel_n;
  wire out_0;
  not (sel_n, sel);
  and (out_0, a, sel);
  and (out_1, b, sel_n);
  or  (out, out_0, out_1);
endmodule

module tb;
  reg a, b, sel;
  wire out;
  integer i;
  mux_2x1 u0 (.a(a), .b(b), .sel(sel), .out(out));
  initial begin
    {a, b, sel} <= 0;
    $monitor ("T=%0t a=%0b b=%0b sel=%0b out=%0b", $time, a, b, sel, out);
    for (int i = 0; i < 10; i = i+1) begin
      #1 a <= $random; b <= $random; sel <= $random;
    end
  end
endmodule

Simulation Log

ncsim> run
T=0 a=0 b=0 sel=0 out=0
T=1 a=0 b=1 sel=1 out=0
T=2 a=1 b=1 sel=1 out=1
T=3 a=1 b=0 sel=1 out=1
T=6 a=0 b=1 sel=0 out=1
T=7 a=1 b=1 sel=0 out=1
T=8 a=1 b=0 sel=0 out=0
T=9 a=0 b=1 sel=0 out=1
T=10 a=1 b=1 sel=1 out=1
ncsim: *W,RNQUIE: Simulation is complete.

Полный сумматор (Full Adder)

module fa (
  input a, b, cin,
  output sum, cout
);
  wire s1, net1, net2;
  xor (s1, a, b);
  and (net1, a, b);
  xor (sum, s1, cin);
  and (net2, s1, cin);
  xor (cout, net1, net2);
endmodule

module tb;
  reg a, b, cin;
  wire sum, cout;
  integer i;
  fa u0 (.a(a), .b(b), .cin(cin), .sum(sum), .cout(cout));
  initial begin
    {a, b, cin} <= 0;
    $monitor ("T=%0t a=%0b b=%0b cin=%0b cout=%0b sum=%0b", $time, a, b, cin, cout, sum);
    for (i = 0; i < 10; i = i+1) begin
      #1 a <= $random; b <= $random; cin <= $random;
    end
  end
endmodule

Simulation Log

ncsim> run
T=0 a=0 b=0 cin=0 cout=0 sum=0
T=1 a=0 b=1 cin=1 cout=1 sum=0
T=2 a=1 b=1 cin=1 cout=1 sum=1
T=3 a=1 b=0 cin=1 cout=1 sum=0
T=6 a=0 b=1 cin=0 cout=0 sum=1
T=7 a=1 b=1 cin=0 cout=1 sum=0
T=8 a=1 b=0 cin=0 cout=0 sum=1
T=9 a=0 b=1 cin=0 cout=0 sum=1
T=10 a=1 b=1 cin=1 cout=1 sum=1
ncsim: *W,RNQUIE: Simulation is complete.

2x4 Декодер

module tb;
  reg x, y, en;
  wire a, b, c, d;
  integer i;
  dec_2x4 u0 (.x(x), .y(y), .en(en), .a(a), .b(b), .c(c), .d(d));
  initial begin
    {x, y, en} <= 0;
    $monitor ("T=%0t x=%0b y=%0b en=%0b a=%0b b=%0b c=%0b d=%0b", $time, x, y, en, a, b, c, d);
    en <= 1;
    for (i = 0; i < 10; i = i+1) begin
      #1 x <= $random; y <= $random;
    end
  end
endmodule

Simulation Log

ncsim> run
T=0 x=0 y=0 en=1 a=0 b=0 c=0 d=1
T=1 x=0 y=1 en=1 a=0 b=0 c=1 d=0
T=2 x=1 y=1 en=1 a=1 b=0 c=0 d=0
T=4 x=1 y=0 en=1 a=0 b=1 c=0 d=0
T=5 x=1 y=1 en=1 a=1 b=0 c=0 d=0
T=6 x=0 y=1 en=1 a=0 b=0 c=1 d=0
T=7 x=1 y=0 en=1 a=0 b=1 c=0 d=0
T=10 x=1 y=1 en=1 a=1 b=0 c=0 d=0
ncsim: *W,RNQUIE: Simulation is complete.

4x2 Энкодер

module enc_4x2 (
  input a, b, c, d,
  output x, y
);
  or (x, b, d);
  or (y, c, d);
endmodule

module tb;
  reg a, b, c, d;
  wire x, y;
  integer i;
  enc_4x2 u0 (.a(a), .b(b), .c(c), .d(d), .x(x), .y(y));
  initial begin
    {a, b, c, d} <= 0;
    $monitor("T=%0t a=%0b b=%0b c=%0b d=%0b x=%0b y=%0b", $time, a, b, c, d, x, y);
    for (i = 0; i <= 16; i = i+1) begin
      #1 {a, b, c, d} <= i;
    end
  end
endmodule

Simulation Log

ncsim> run
T=0 a=0 b=0 c=0 d=0 x=0 y=0
T=2 a=0 b=0 c=0 d=1 x=1 y=1
T=3 a=0 b=0 c=1 d=0 x=0 y=1
T=4 a=0 b=0 c=1 d=1 x=1 y=1
T=5 a=0 b=1 c=0 d=0 x=1 y=0
T=6 a=0 b=1 c=0 d=1 x=1 y=1
T=7 a=0 b=1 c=1 d=0 x=1 y=1
T=8 a=0 b=1 c=1 d=1 x=1 y=1
T=9 a=1 b=0 c=0 d=0 x=0 y=0
T=10 a=1 b=0 c=0 d=1 x=1 y=1
T=11 a=1 b=0 c=1 d=0 x=0 y=1
T=12 a=1 b=0 c=1 d=1 x=1 y=1
T=13 a=1 b=1 c=0 d=0 x=1 y=0
T=14 a=1 b=1 c=0 d=1 x=1 y=1
T=15 a=1 b=1 c=1 d=0 x=1 y=1
T=16 a=1 b=1 c=1 d=1 x=1 y=1
T=17 a=0 b=0 c=0 d=0 x=0 y=0
ncsim: *W,RNQUIE: Simulation is complete.