Verilog 时序逻辑 UDP

时序逻辑 UDP 与组合逻辑 UDP 在定义形式和行为功能上均有不同，主要区别如下：

• 1、时序逻辑 UDP 的输出端必须声明为 reg 型。
• 2、时序逻辑 UDP 可以用 initial 语句初始化。
• 3、状态表格式也稍有不同：

  ...    :  <current_state>  :  <next_state>  ;

• 4、时序逻辑 UDP 状态表每行由 3 部分组成：输入部分、当前状态和输出状态，用冒号":"隔开。
• 5、current_state 就是输出寄存器的当前值, next_state 就是输出寄存器的新值。next_state 由输入和 current_state 共同决定。
• 6、状态表的输入项可以是电平，也可以是跳边沿的形式。

表示时序逻辑的 UDP 主要分为 2 种：电平触发 UDP 与 边沿触发 UDP。

1. 电平触发 UDP

电平触发 UDP 的输出是根据输入电平状态的改变而改变。

带有清零端的 D 锁存器的功能描述为：

• 清零端为 1 时，输出端恒为 0 ；
• 清零端为 0 、使能控制端为 1 时，锁存器透明，输出端等于输入端；
• 清零端为 0 、使能控制端为 0 时，锁存器呈保持状态，输出端保持不变。

其真值表为（q 表示当前状态，q+ 表示下一个状态）：

其实编写 UDP 的过程，可以理解为换一种格式编写真值表的过程。

带有清零端的 D 锁存器的 UDP 可以描述如下：

primitive d_latch(q, clear, en, d);
   output       q ;
   reg          q ;
   input        d, en, clear ;

   initial
     q = 0 ;

   table
    //clear     en      d       :q      :q+ ;
      1         ?       ?       :?      :0 ;    //clear
      0         0       ?       :?      :- ;    //"-" means stable

      0         1       0       :?      :0 ;    //q = d
      0         1       1       :?      :1 ;
   endtable
endprimitive

当然，也可以在罗列端口信号时就声明其类型，并且赋初值。

primitive d_latch2(
   output reg   q = 0,
   input        clear, en, d);
   ......
endprimitive

2. 边沿触发 UDP

边沿触发 UDP 的输出是根据输入跳边沿和（或）输入电平状态的改变而改变。

直接给出带有异步复位端（RST）且在时钟下降沿采集信号的 D 触发器的"真值表"：

可见此"真值表"中还加入了上下沿的概念，是为了方便编写 UDP 代码。

此 D 触发器的时序逻辑 UDP 描述如下：

primitive D_TRI(
            output reg  Q = 0,
            input       RST, CP, D);
   table
    //RST       CP      D       :Q      :Q+ ;
      //(1) 清零 
      1         ?       ?       :?      :0 ;  //RST=1 时清零
      (??)      ?       ?       :?      :- ;  //忽略 RST 边沿变化
      //(2) 时钟下降沿采集
      0         (10)    0       :?      :0 ;  //时钟下降沿采集信号
      0         (10)    1       :?      :1 ;
      //possible negedge
      0         (1x)    ?       :?      :- ;  //可能是时钟下降沿时保持
      0         (x0)    ?       :?      :- ;
      //(3) 时钟上升沿保持
      0         (0?)    ?       :?      :- ;  //时钟上升沿时保持
      //possible posedge
      0         (x1)    ?       :?      :- ;  //可能是时钟上升沿时保持
      //(4) 非时钟沿变化时，即便数据有跳变，输出仍然保持
      0         ?       (??)    :?      :- ;  
   endtable
endprimitive // D_TRI

对此触发器进行简单的仿真，testbench 描述如下。

`timescale 1ns/1ps
module test ;
   reg  D, CP = 0 ;
   reg  RST ;
   wire Q ;
   always #5 CP = ~CP ;
   //data driver
   initial begin
      D = 0 ;
      #12 D = 1 ;
      #10 D = 0 ;
      #14  D = 1 ;
      #3  D = 0 ;
      #18  D = 0 ;
   end
   //reset driver
   initial begin
      RST = 0 ;
      #3        RST = 1 ;
      #2        RST = 0 ;
      #22       RST = 1 ;
      #1        RST = 0 ;
   end
   D_TRI u_d_trigger(Q, RST, CP, D);
   initial begin
      forever begin
         #100;
         //$display("---gyc---%d", $time);
         if ($time >= 1000) begin
            $finish ;
         end
      end
   end
endmodule // test

仿真结果如下。

由图可知，在 cap1 时刻，Q 端被复位清零；在 cap2 时刻，即时钟下降沿时，输出端采集到 D 端输入 1；在 cap3 时刻，Q 端又被清零。符合设计。

需要注意的是：

状态表每行多个输入部分，最多只能有一个跳边沿，例如下面状态表的表述是错误的。

   table
      ......
      (10)     (10)    1       :?      :1 ;
   endtable

电平触发的状态表输入项，其优先级高于边沿触发的状态表输入项。若两者在同一时刻出现，则输出端的状态由电平触发的状态表决定。

例如上述 D 触发器中，RST 可以看做是电平触发，CP 可以看做是边沿触发。当 RST 上升沿与 CP 端下降沿同时刻来临时，输出端会变为 0 ，如下图 cap 时刻。当然，实际的时序应该避免时钟和复位边沿同时到来。

边沿触发 UDP 中，必须为每一个输入信号都指定边沿变化时输出信号的变化情况，否则在该信号的跳变沿处可能会造成输出端为 X 。

例如缺少 RST 边沿变化的说明：

  //(??)    ?       ?       :?      :- ; //忽略 RST 边沿变化

则在 RST 下降沿输出会变为 x。

再例如缺少时钟稳定、D 端数据变化时的说明：

  //(4) 非时钟沿变化时，即便数据有跳变，输出仍然保持
  //0         ?       (??)    :?      :- ;

则 D 端数据变化的边沿处也会使输出为 x。

3. UDP 状态表符号缩写

UDP 状态表的电平和跳变沿缩写符号及说明如下表所示。

4. UDP 设计指导

针对数字设计时是选择使用 module 还是 primitive，要从设计需求、复杂度等方面进行综合考虑。下面给出一些指导性的建议。

• UDP 只能进行功能性建模，不能对电路时序和制造工艺（例如 CMOS，TTL等）进行建模。使用 UDP 的主要目的是以类似于真值表的简洁形式对数字设计进行建模，而 module 可以包含电路时序，并指定制造工艺。
• UDP 只能完成有一个输出端口的数字设计。当输出端口大于一个时，只能用 module。
• UDP 是使用内存中的查找表实现的，当输入端口较多时，输入端口的组合将会呈指数增长。UDP 输入端口的数量也会受到仿真器的限制。因此输入端口较多时不宜使用 UDP。
• 选择使用 UDP 以后，一定要尽可能的用缩写符完整的描述 UDP 状态表。漏掉输入的组合情况，输出端可能会出现 X 的状态，造成设计错误。