HDLBits：在線學習Verilog（六 · Problem 25-29）
本系列文章將和讀者一起巡禮數字邏輯在線學習網站 HDLBits 的教程與習題，並附上解答和一些作者個人的理解，相信無論是想 7 分鐘精通 Verilog，還是對 Verilog 和數電知識查漏補缺的同學，都能從中有所收穫。
附上傳送門：Module fadd - HDLBits
Problem 25: Adder 2(Module fadd)
牛刀小試
在本題中，您將描述一個具有兩級層次結構的電路。在top_module中，實例化兩個add16模塊(已為您提供)，每個add16中實例化16個add1實例(此模塊需要您編寫)。所以，您需要描述兩個模塊：top_module和add1。
與Problem 24: Adder 1(Module add)一樣，提供給您一個執行16bit的加法的模塊。您需要實例化兩個16bit加法模塊來實現32bit加法器。一個add16計算加法結果的低16位，另一個計算結果的高16位。您的32位加法器同樣不需要處理進位輸入(假設為0)和進位輸出(無需進位)信號。
如下圖所示，將add16模塊連接在一起，給出的add16模塊如下：
module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
在每個add16中，實例化了16個全加器(add1，未給出，需要您自己寫出)去執行加法操作。您必須編寫具有以下聲明的完整全加器(add1)：
module add1 ( input a, input b, input cin, output sum, output cout );
回憶一下，全加器計算a+b+cin(三個信號均為1bit)的結果(sum)和進位(carry-out)。
總之，本題中一共有三個模塊：
1、top_module：包含兩個16位加法器的頂級模塊；
2、add16(已給出)：一個16bit的加法器，由16個全加器構成；
3、add(未給出)：1bit全加器
注意：在您提交的代碼中如果缺少add1，您將收到一條如下的錯誤提示：
Error (12006): Node instance "user_fadd[0].a1" instantiates undefined entity "add1".
小提示：全加器的邏輯表達式
解答與分析
module top_module (
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);//
wire carry;
add16 a1(a[15:0],b[15:0],1b0,sum[15:0],carry);
add16 a2(a[31:16],b[31:16],carry,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
本體與上一題實現的功能是一樣的，就是要多實現一個1bit全加器，如果不小心把16bit的全加器實現的話會提示模塊聲明多次的錯誤：
Error (10228): Verilog HDL error at tb_modules.sv(1): module "add16" cannot be declared more than once File:
Problem 26: Carry-select adder (Module cseladd)
上一個練習中(Problem 25: Adder 2(Module fadd))實現的加法器應該叫做行波進位加法器(RCA: Ripple-Carry Adder)。這種加法器的缺點是計算進位輸出的延遲是相當慢的(最壞的情況下，來自於進位輸入)。並且如果前一級加法器計算完成之前，後一級加法器不能開始計算。這又使得加法器的計算延遲變大。
牛刀小試
這次來實現一個改進型的加法器，如下圖所示。第一級加法器保持不變，第二級加法器實現兩個，一個假設進位為0，另一個假設進位為1。然後使用第一級結果和2選一選擇器來選擇哪一個結果是正確的。
在本題中，您將獲得與上一練習相同的模塊add16，它將兩個16bit數和進位輸入相加，併產生16bit的結果和進位輸出。您必須實例化其中的三add16來構建進位選擇加法器，同時實現16bit的2選1選擇器來選擇結果。
將模塊如下圖所示連在一起。提供的模塊add16如下：
module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
解答與分析
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);
wire carry;
wire [31:16] sum0;
wire [31:16] sum1;
add16 al(a[15:0],b[15:0],1b0,sum[15:0],carry);
add16 ah0(a[31:16],b[31:16],1b0,sum0[31:16],);
add16 ah1(a[31:16],b[31:16],1b1,sum1[31:16],);
assign sum[31:16] = carry?sum1:sum0;
endmodule
如果學過數字集成電路的進位鏈的話應該知道這是選擇進位加法器(CSA: Carry-Select Adder)，相對於上一題的行波進位(也叫逐級進位，逐位進位)加法器延遲小一半左右，但是比增多了50%的邏輯資源。
Problem 27: Adder–subtractor (Module addsub)
加減法器可以由加法器來構建，可以對其中一個數取相反數(對輸入數據取反，然後加1)。最終結果是一個可以執行以下兩個操作的電路： 和
。如果您想要更詳細地了解該電路的工作原理，請參閱維基百科。
牛刀小試
如下圖所示構建加減法器，您需要實例化兩次下面給出的16bit加法器模塊：
module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
當sub為1時，使用32位的異或門對B進行取反。(這也可以被視為b[31:0]與sub複製32次相異或，請參閱複製運算符Problem 17: Replication operator(Vector4))。同時sub信號連接到加法器的進位。
小提示：異或門也可以看作是可編程的非門，其中一個輸入控制是否應該反轉另一個。 以下兩個電路都是異或門：
解答與分析
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
input sub,
output [31:0] result
);
wire [31:0] b_n;
wire carry;
assign b_n = b^{32{sub}};
add16 a0(a[15:0],b_n[15:0],sub,result[15:0],carry);
add16 a1(a[31:16],b_n[31:16],carry,result[31:16],);
endmodule
學過數字邏輯電路的應該知道的小常識，減去一個數等於加上這個數的補碼(就是題中的按位取反再加1)。
到這裡關於模塊層次的學習就結束了，下一題開始，我們進位過程塊的學習。
Problem 28: Always blocks(combinational) (Alwaysblock1)
我們知道數字電路是由導線連接的邏輯門組成，因此任何電路都可以表示為module和assign語句的某種組合。但是，有時候這不是描述電路最簡便的方法。過程塊(比如always塊)提供了一種用於替代assign語句描述電路的方法。
有兩種always塊是可以綜合出電路硬體的：
綜合邏輯：always @(*)
時序邏輯：always @(posedge clk)
組合always塊相當於assign語句，因此組合電路存在兩種表達方法。具體使用哪個主要取決於使用哪個更方便。過程塊內的代碼與外部的assign代碼不同。過程塊中可以使用更豐富的語句(比如if-then,case)，但不能包含連續賦值*。但也引入了一些非直觀的錯誤。(*過程連續賦值確實可以存在，但與連續賦值有些不同，並且不可綜合)
例如，assign和組合always塊描述相同的電路。兩者均創造出了相同的組合邏輯電路。只要任何輸入(右側)改變值，兩者都將重新計算輸出。
assign out1 = a & b | c ^ d;
always @(*) out2 = a & b | c ^ d;
對於組合always塊，敏感變數列表總是使用(*)。如果把所有的輸入都列出來也是可以的，但容易出錯的(可能少列出了一個)，並且在硬體綜合時會忽略您少列了一個，仍按原電路綜合。 但模擬器將會按少列一個來模擬，這導致了模擬與硬體不匹配。(在SystemVerilog中，使用always_comb)
牛刀小試
使用assign語句和組合always塊來構建與門。(因為賦值語句和組合always相同，模擬器檢測不出來你使用了那種方法，所以沒有辦法強制你使用這兩種方法，但是你會這裡練習的，對吧？......)(譯者註：作者還是很調皮的)
解答與分析
// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module(
input a,
input b,
output wire out_assign,
output reg out_alwaysblock
);
assign out_assign = a & b;
always@(*)
out_alwaysblock = a & b;
endmodule
好像沒什麼分析的，照著上面的講解抄就行。
Problem 29: Always blocks(clocked) (Alwaysblock2)
對於硬體綜合來說，存在兩種always塊：
組合邏輯：always @(*)
時序邏輯：always @(posedge clk)
時序always塊也會像組合always塊一樣生成一系列的組合電路，但同時在組合邏輯的輸出生成了一組觸發器(或寄存器)。該輸出在下一個時鐘上升沿(posedge clk)後可見，而不是之前的立即可見。
阻塞性賦值和非阻塞性賦值
在Verilog中有以下三種賦值方法：
連續賦值(assign x=y
：不能在過程塊內使用；
過程阻塞性賦值(x=y：只能在過程塊中使用；
過程費阻塞性複製(x<=y)：只能在過程塊內使用。
在組合always塊中，使用阻塞性賦值。在時序always塊中，使用非阻塞性賦值。具體為什麼對設計硬體用處不大，還需要理解Verilog模擬器如何跟蹤事件(譯者註：的確是這樣，記住組合用阻塞性，時序用非阻塞性就可以了)。不遵循此規則會導致極難發現非確定性錯誤，並且在模擬和綜合出來的硬體之間存在差異。
牛刀小試
使用assign語句，組合always塊和時序always塊這三種方式來構建異或門。 請注意，時鐘always塊生成了與另外兩個不同的電路，多了一個觸發器，因此輸出會有一定的延遲。
解答與分析
module top_module(
input clk,
input a,
input b,
output wire out_assign,
output reg out_always_comb,
output reg out_always_ff );
assign out_assign = a ^ b;
always@(*) out_always_comb = a ^ b;
always@(posedge clk) out_always_ff <= a ^ b;
endmodule
從模擬的波形圖可以看出，out_always_ff比其他兩個輸出延遲了一個時鐘周期，這就是非阻塞性賦值帶來的。
PS：本系列課程的題號是從0開始的，與網站1不符，望周知。
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