systemverilog硬件设计及建模_SystemVerilog的一些可综合实用技巧

Not True! SystemVerilog was designed to enhance both the design and verification capabilities of traditional Verilog VCS, Design Compiler and Synplify-Pro all support RTL modeling with SystemVerilog.

作为数字设计工程师来说，一项很重要的任务就是写可综合的HDL代码，不可综合的代码那只能是behavior model或者testbench。什么样的HDL代码是可综合的？你能通过代码构思出其对应电路的就是可综合的，否则就是不可综合的，这样的判断也是八九不离十了。简而言之，能在你颅内综合，一般而言就可以被综合工具综合，反之亦然。

现在很多代码，尤其是IP vendor的代码，还是基于verilog的，而不是system verilog的，这可能与其想尽可能地支持多种或者低版本的EDA工具有关。实际上System Verilog有很多好的可综合feature是非常有用的，有助于我们简化代码，提高可读性。至于EDA工具的支持，主流工具都是支持的，可综合的System Verilog代码，Verilator也是支持的。本文我们只考虑可综合的System Verilog特性。

别眼馋Chisel了，SystemVerilog就很香！

1. logic, always_ff与always_comb

Verilog中我们有wire 和reg，当然reg可能对应组合逻辑中的信号线，也可能对应时序逻辑中的flip-flop。在System Verilog中我们可以把wire和reg替换成logic，至于综合成什么，交给综合工具吧。不过作为数字电路设计工程师，代码写下之前你就应该知道综合成组合逻辑还是时序逻辑。你可以继续使用always，组合逻辑使用always @(*)，时序逻辑用always @(posedge clk)之类。或者更进一步，我们使用System Verilog里的always_ff和always_comb。顾名思义，always_ff是要综合成时序逻辑中的flip-flop，always_comb是综合成组合逻辑。如果实际综合结果不是名字所提示的那样，那么工具会报错的，这时你可以有改正的机会。比如下面这段代码：

always_comb
  if (en)
    a = b;

对应的电路是个latch，和组合电路的期望不符，会得到compiler的报错。

正如你所认为的那样，always_ff和always_comb是特意给可综合代码设计的。

不过需要注意的是，logic是单驱动的，不像wire是可以多驱动的，但这对于可综合电路来说完全不是问题。

至于always_latch？除了极特殊场合，一般用不上。

2. typedef，struct与parameter type, package

能够自由地自定义类型是System Verilog非常大的优势。比如32位的数据，我们会附加一位的校验位，于是我们在代码里可能有多处logic [8:0]来表示带校验位的数据。那如果某天我要把一位的校验位换成3位的ECC怎么办？里面所有logic [8:0]要改为logic [10:0]，增加了很多工作量，且容易出错。

有了typedef我们就好办了，我们可以这样使用：

typedef logic [8:0] data_t;
data_t data0, data1;

下次变成3位ECC只需要改typedef里的位宽即可。

甚至我们可以把它定义成struct，把校验位单独拎出来：

typedef struct packed {
  logic [7:0] val;
  logic       par;
} data_t;
data_t data0, data1;
 
//......
if (data0.par != ^data0.val)
//......

struct的功能极其强，我们可以把一些联系紧密的信号捆绑在一起，实现轻量级的interface功能。packed表示此类型是压缩的，即一维形式存储的，在waveform里显示出来也是一个一维向量，当然仿真工具会把其成员的值也显示出来，方便debug。

如果我想在input, output里使用自定义的类型怎么办？因为在输入输出列表里，此时还没有经过typedef定义。一种简便的方法是定义在parameter列表里：

module foo #(
  parameter data_t = typedef struct packed { logic [7:0] val; logic par;}
) (
  input data_t data,
  //......

或者参数类型由上一层module传进来：

module foo #(
  parameter data_t = logic
) (
  input data_t data,
  //......
endmodule
 
module top;
  typedef struct packed {  
    logic [7:0] val;  
    logic       par;
  } data_t;
 
  foo #(
    .data_t(data_t)
  ) foo (
  //......
endmodule

当然，关于类型的定义可以写在package里面，然后使用的时候import即可，这是另一种用法。比如：

package example;
  typedef struct packed {       
    logic [7:0] val;       
    logic       par;   
  } data_t;
endpackage
 
module foo
  import example::*;
(
  input data_t data,
  //......

typedef及类型的相关用法用得好了，System Verilog HDL编码水平可以上一个台阶。

3. 多维数组

在电路设计中，有些描述天然就是对应多维数组的，而多维数组一般来说都是可综合的，使用多维数组可以让HDL代码更简洁、直观。比如一组16个8-bit的数据用于计算FFT。我们可以这样定义：

logic [7:0] data [0:15];

也可以这样定义：

logic [15:0][7:0] data;

后者是packed array，和上面说的packed struct类似，是以一维的形式存储的。对于非packed array，先引用后面的维度，对于packed array，先引用前面的维度。需要注意的是，赋值的时候要注意引用index的ascend或者descend特性。 不仅可以使用多维数组，还可以对struct类型增加维度。比如：

typedef data_t [15:0] data_array_t;

4. enum与状态机

在Verilog里表示状态机的状态一般是自定义的几个值，比如用parameter或者localparam定义好几个状态的名称和值，或者用define来定义，也可以直接使用状态的编码值。比如使用localparam来定义：

localparam IDLE = 3'b000;
//......
if (~rst_n)
  state <= IDLE;
//......

System Verilog里提供了enum，可以提供类似parameter的效果，但是更自然，也更容易扩展。比如：

typedef enum {IDLE, /*other states*/} state_t;
state_t state;
//......
if (~rst_n)
  state <= IDLE;
//......

enum类型也可以指定位宽，如：

enum bit [3:0] {IDLE, /*other states*/} state;

当然，我们也可以手动指定每个状态的编码，否则默认从0开始递增。以上这些用法是可综合的，System Verilog还为enum准备了很多函数，如first(), last(), next()等，可综合的设计里就不要使用了，也没必要。

5. interface和modport

interface是为了便于模块之间连接而设计的，里面可以做很多事情，里面可以有一系列的信号，也可以有typedef定义的自定义类型，也可以用modport定义信号的方向。modport定义对于可综合代码来说是很重要的。相比较起struct，interface的modport里可以定义input和output，但使用interface进行模块间连接的时候需要将其实例化，像这样：

interface intf;
  wire a, b, c, d;
  modport master (input a, b, output c,d);
  modport slave (output a,b, input c,d);
endinterface
module m (intf i);
  //......
endmodule
module s (intf i);
  //......
endmodule
module top;
  intf i();
  m u1(.i(i.master));
  s u2(.i(i.slave));
endmodule

interface还有很多花里胡哨的用法，但很多是为了建模和testbench用的，modport算是interface里用的最普遍的可综合的功能了。

6. function void

在Verilog里，function只能返回一个输出，而有时候我们可能会有多个输出，如果使用function的话只能把多个输出拼在一起输出，然后再人为解析开。比如一个坐标点，我们可以算出角度和幅度，在Verilog里只能这么写（假设通过组合逻辑算出来，不然就不能用function了）：

function [15:0] cordic;
  input [7:0] x;
    input [7:0] y;
    begin
      //......
      cordic = {angle[7:0], mag[7:0]};
    end
endfunction
 
assign {angle, mag} = cordic(x, y);

而SystemVerilog 则提供了function void，参数里可以加多个output，所以上面的例子可以这么实现了：

function void cordic(
  input [7:0] x, y,
  output [7:0] angle,
  output [7:0] mag
);
//......
endfunction
 
always_comb
  cordic(x, y, angle, mag);

7. genvar与for循环

其实genvar并不算System Verilog的新feature，Verilog里就有。但genvar真是个好东西，可以让代码更简洁明了。比如这样：

module axi_lite_demux #(
//......
)(
//......
output req_t [NoMstPorts-1:0] mst_reqs_o,
input resp_t [NoMstPorts-1:0] mst_resps_i
);
//...
logic [NoMstPorts-1:0] mst_aw_valids, mst_aw_readies;
for (genvar i=0; i<NoMstPorts; i++) begin: gen_mst_aw
  assign mst_reqs_o[i].aw_valid = mst_aw_valids[i];
  assign mst_aw_readies = mst_resps_i[i].aw_ready
end

配合for使用genvar的时候也无需generate。也可以直接用for完成：

always_comb begin
  for (int i=0; i<NoMstPorts; i++) begin: gen_mst_aw
    mst_reqs_o[i].aw_valid = mst_aw_valids[i];
    mst_aw_readies = mst_resp_i[i].aw_ready;
  end
end

使用for也是让代码简洁明了的一个重要手段。