【FPGA】Verilog描述电路的三种方式（结构化、数据流和行为化）

前言

众所周知，Verilog是作为一种HDL（Hardware Description Language，硬件描述语言）出现的，它的主要功能是在不同的抽象层级上描述电路，从而实现电路设计。那么到底该如何描述电路？Verilog提供了3种不同的方式：

• 结构化描述方式（结构模型，Structural Modeling）
• 数据流描述方式（数据模型，Dataflow modeling）
• 行为级描述方式（行为模型，Behavior Modeling）

结构化描述方式

结构化描述方式是抽象级别最低的描述方式，但它也最接近底层电路的具体实现。先来看一个例子：

输入信号分别为1bit的信号A和信号B，输出信号为1bit的信号C。只有当A和B同时为逻辑1时，输出C才为逻辑1，其他情况输出C为逻辑0。

这个例子是要实现一个与门，抽象出的电路结构应该是这样的：

如果采用结构化描述方式来实现这个功能，那么就是调用一个与门：

module test(
    input    A,B,
    output    C
);

and and_test(C,A,B);    //与门实现，这是与门的原语

endmodule 

这种实现方式其实就是在直接用门电路来搭建电路，电路规模小的时候还好，一旦要设计的电路变大、变复杂后，再用这种方式显然就非常低效了，同时这种方式对设计人员也是一种考验与折磨。

目前，这种搭建式的方法在FPGA设计中已经不常使用了。首先，它难以描述复杂的电路；其次这种方法需要抽象出电路的具体实现，相当于本该综合工具干的活被你自己给干了，那你觉得这种工作你能干得比综合工具快？比综合工具好？

但是，结构化描述方法在日常设计中仍然以一种特殊的形式而存在–实例化（Instantiation）。由于当前的FPGA设计大多采用模块化的设计方法，所以实例化仍然必不可少。

数据流描述方式

数据流描述方式比结构化描述方式的抽象级别高一些，因为它不需要直接描述出电路的底层实现方式，而只需要对数据是如何流动的这一现象进行描述，从而实现电路功能。

仍然采用上面的例子，看看数据流描述方式是如何描述电路的：

module test(
    input    A,B,
    output    C
);

assign C = A & B;

endmodule 

这种方式清晰地描述了数据从输入到输出的流动情况，即从A\B输入，彼此相与后再从C输出。

这种方法比上一种方法简单不少，原本需要用门电路搭建的电路只需要用一个 与运算符（&） 即可实现，而具体的实现方式就交给了综合工具。

行为级描述方式

行为级描述方式是抽象级别最高的描述方式，多用于大型设计。同样的例子，它是这样描述电路的：

module test(
    input        A,B,
    output    reg    C
);

always@(*)begin
    if(A == 1'b1 && B == 1'b1)
        C = 1'b1;
    else
        C = 1'b0;
end

endmodule 

重点在这一句“ if(A == 1’b1 && B == 1’b1) C = 1’b1;”，即描述电路的行为：只有当A和B同时为逻辑1时，输出C才为逻辑1，其他情况输出C为逻辑0。

行为级描述方式不需要抽象出电路的具体实现，也不需要管数据的流动方式，只需要对电路的外在表现，即电路的具体行为进行描述。这种方法最符合人类的直观思维，抽象级别最高，概括能力最强。

但这种方式也是有缺点的，缺点也恰恰是因为它太抽象了！所以很多时候设计人员根本就不知道底层电路是什么样子的，这使得有时候做FPGA设计，不像是在设计硬件，反而像是在设计软件！

因此在实践中，往往都是三种描述方式混用，这样既保证了一定的抽象程度，使得大规模的电路设计成为现实，同时也能让设计人员对底层电路保持一定的了解，以便对电路进行面积与速度上的优化。

半加器实例

如果觉得上面的例子不够直观，那么再来看一个半加器的例子。下面是半加器的真值表：

从真值表可以很快地推断出其电路的实现形式：

所以采用结构化描述方式来对半加器进行描述，是这样的：

module half_adder(
    input    A,B,
    output    S,C
);

xor xor_test(S,A,B);    //异或门，底层原语
and and_test(C,A,B);    //与门，底层原语

endmodule 

这种方式直接描述出了电路的底层实现（用门电路实现），抽象级别很低，不适用于大规模的设计。

同样从真值表，可以推断出数据的流动方式：S = A ^ B; C = A & B; 所以用数据流描述方式来描述电路，是这样的：

module half_adder(
    input    A,B,
    output    S,C
);

assign S = A ^ B; 
assign C = A & B;

endmodule 

这种方式隐式地描述了电路的实现方式，同时也具备一定的抽象层级。

半加器要实现的功能就是没有进位输入、但有进位输出的两个1bit数的加法（电路行为），即 {C,S} = A + B; 所以用行为级描述方式来描述电路，是这样的：

module half_adder(
    input    A,B,
    output    S,C
);

assign {C,S} = A + B;

endmodule 

这是用vivado生成的电路：

就是个半加器，具体怎么实现的不知道（抽象级别很高），因为电路的具体实现工作被交给了综合工具。

总结

• 结构化描述方式抽象层级最低，但也最接近底层电路；描述大型电路时效率低，所以在当前设计中较少见，但作为其另一形式存在的实例化在实践中仍然比不可少
• 数据流描述方式抽象层级居中，但需要设计人员对电路有较深的理解，与行为级描述方式并称为RTL级描述
• 行为级描述方式抽象层级最高，不需要对底层电路有过多的理解，最符合人类大脑直觉，开发效率最高

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