2.3 Verilog 时序逻辑 UDP

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2023-03-14

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。

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

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。

实例

`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。

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。

缩写符	含义	说明
？	0, 1, x	只能用于输入
b	1, 1	只能用于输入
-	保持原值不变	只能用于输出
(ab)	信号由 a 变 b	用作输入端边沿的指示
r	(01)	信号的上升沿
f	(10)	信号的下降沿
p	(01), (0x) 或 (x1)	可能是信号的上升沿
n	(10), (1x) 或 (x0)	可能是信号的下降沿
*	(??)	信号任意边沿的变化

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。

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