眾所周知FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)質(zhì)是硬件描述，無(wú)論是語(yǔ)言還是FPGA內(nèi)部都可以理解為是在設(shè)計(jì)硬件電路。設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)電路，首先要對(duì)系統(tǒng)有宏觀的理解，然后再對(duì)系統(tǒng)模塊逐一慢慢分解為一個(gè)個(gè)小的功能單元，這些功能單元可以是IP核或者其它項(xiàng)目開(kāi)發(fā)好的單元。如下圖所示：

自上而下的設(shè)計(jì)是把系統(tǒng)模塊作為基本單元，然后再逐一分解，一直這樣分解下去，直到無(wú)法進(jìn)一步分解，可以用EDA元件庫(kù)中的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)為止。 下邊以設(shè)計(jì)一個(gè)全加器為例，全加器和半加器不同的是除了兩個(gè)加數(shù)以外還有一個(gè)加數(shù)，第三個(gè)加數(shù)是上一級(jí)加法器的進(jìn)位信號(hào)，這樣就相當(dāng)于是三個(gè)1bit的數(shù)相加。首先給頂層模塊取一個(gè)名字為full_adder，框圖如下：

我們用一個(gè)方法推導(dǎo)一下：全加器有三個(gè) 1bit 的加數(shù)，我們可以先實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的加和，再加上第三個(gè)數(shù)并不會(huì)影響最后的結(jié)果。我們知道兩個(gè)數(shù)的加和就是半加器所實(shí)現(xiàn)的功能，所以先進(jìn)行的兩個(gè)數(shù)的加和運(yùn)算需要用到一個(gè)半加器來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后輸出求和信號(hào)和進(jìn)位信號(hào)，求和信號(hào)再和第三個(gè)加數(shù)加和需要再使用一個(gè)半加器，然后輸出進(jìn)位信號(hào)和最后的總和號(hào)。但是進(jìn)位信號(hào)有兩個(gè)，這兩個(gè)進(jìn)位信號(hào)都是有用的，但又不會(huì)同時(shí)為存在，一個(gè)有效即有效，所以將兩個(gè)半加器的進(jìn)位信號(hào)用一個(gè)或門運(yùn)算后作為最后的輸出進(jìn)位信號(hào)（也可以用邏輯表達(dá)式的方式推導(dǎo)）

本例中全加器可以用兩個(gè)半加器組成，兩個(gè)進(jìn)位信號(hào)用或門輸出。

紅色的為頂層的信號(hào)線，黑色的為底層模塊的信號(hào)線，信號(hào)的顏色變化也代表層的變化。

將half_adder0 的 sum 信號(hào)和 half_adder1 的 in1 信號(hào)連接，連接線還單獨(dú)取了一個(gè)名字為h0_sum 用于將 sum 信號(hào)的數(shù)據(jù)傳到頂層（否則兩個(gè)獨(dú)立模塊是沒(méi)有任何交集的）。 每一個(gè)模塊都相當(dāng)于一個(gè)實(shí)體的“芯片”，而框圖中的 half_adder0 和 half_adder1 就相當(dāng)于兩個(gè)不同的半加器芯片，再加上一個(gè)或門芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有全加器功能的系統(tǒng)，這做好的這個(gè)全加器也是一個(gè)模塊，如有需要也可以把這個(gè)模塊當(dāng)成一個(gè)“芯片”用在其他的系統(tǒng)中。所以設(shè)計(jì)的時(shí)候我們可以把每個(gè)模塊都做好，特別是具有通用性功能的模塊，等用到的時(shí)候我們不必關(guān)心其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的，只需知道其功能和端口信號(hào)，直接拿過(guò)來(lái)使用即可，是不是很方便。

頂層模塊代碼如下所示：

將開(kāi)發(fā)好的半加器文件引用進(jìn)去即可。如下圖：

代碼進(jìn)行RTL綜合，得到電路框圖如下所示：

在以后設(shè)計(jì)中有很多情況具有特定功能的模塊需要再次調(diào)用，可能會(huì)有數(shù)十個(gè)模塊要調(diào)用，為了方便調(diào)用，我們往往把具有獨(dú)立功能的模塊做成通用模塊，日積月累，當(dāng)我們積累的越來(lái)越多，開(kāi)發(fā)也會(huì)變的很容易。 層次化設(shè)計(jì)有個(gè)問(wèn)題，就是直接驗(yàn)證頂層模塊，如果子模塊有問(wèn)題，這樣我們?cè)俜治鰰r(shí)往往很復(fù)雜，所以推薦要先對(duì)子模塊進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證，這樣不至于當(dāng)整個(gè)設(shè)計(jì)太大的時(shí)候直接驗(yàn)頂層模塊而導(dǎo)致錯(cuò)誤很難查找，養(yǎng)成習(xí)慣會(huì)讓設(shè)計(jì)越來(lái)越輕松，越來(lái)越順利。

審核編輯：黃飛

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