【连载】【FPGA黑金开发板】Verilog HDL那些事儿--低级建模的资源（六）

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2.5 低级建模的资源

低级建模有讲求资源的分配，目的是使用“图形”来提高建模的解读性。

图上是低级建模最基本的建模框图，估计大家在实验一和实验二已经眼熟过。功能模块（低级功能模块）是一个水平的长方形，而控制模块（低级控制模块）是矩形。组合模块，可以是任意的形状（随意正方形）。注意功能模块和控制模块都包含“模块名”和“.v文件名”，相反组合模块只含“.v文件名”。

每一个“低级建模资源"的任务如自身命名一样。功能模块的例子有“flash_module.v”,控制模块的例子有“run_module.v”，和 “mix_module.v”是组合模块。

一个完整的建模都是由图上的基本资源“组合再组合”。当然低级建模有一个问题，就是建模量很大，但是这个问题是见仁见智，因为不同的人都有不同的组合习惯。除此之外，低级建模有一个必须遵守的准则就是“一个功能模块（控制模块）仅有一个功能”

。为什么这个准则那么重要呢？

因为低级建模是利用“图形”来表达一个完整的模块。其中，模块与模块之间是以“信号”来表达关系。

假设一个例子：一个老板对一个员工命令。老板（控制模块），和员工（功能模块）。如果从另一种角度去思考 ，“老板发号”，“员工干活”。“连线”表示了他们是“宾主关系”。

又或者另一个例子：一个老员工对一个新手员工发号。在现实中，老员工是来打工的（功能模块），新手也是来打工的（功能模块）。但是老员工有时也需要新手来支持。如上框图，那么从“连接”上推断，结果即可“一目了然”，亦即“老手新手关系”

上面两个例子，表示了我非常提倡“一个功能模块（控制模块）仅有一个功能”。因为如此，会大大的提升解读性，初次之外也使得建模更容易更多样化。

单单两个例子是无法说明白“低级建模”的好处，我们以一个简单实验，从设计中理解。

实验三：消抖模块之一

图上是一个简单的按键消抖模块。设计的方法主要是由“电平检查模块”和“10ms延迟模块”组合合成。

设计的思路如下：

1）一但检测到按键资源按下（高电平到低电平变化），“电平检查模块” 就会拉高

H2L_Sig电平，然后拉低。

2）“10ms延迟模块”，检测到H2L_Sig 高电平，就会利用10ms过滤H2L_Sig，拉高

输出

3）当按键被释放“电平检测模块”，会拉高L2H_Sig 电平，然后拉低。

4）“10ms延迟模块”，检查到L2H_Sig就会利用10ms过滤H2L_Sig,然后拉低输出。

实验三源码：

实验三说明：

detect_module.v 是电平检测的功能模块。14行定义了100us的常量，而第18~30行是用于延迟100us。因为电平检测模块是非常敏感，在复位的一瞬间，电平容易处于不稳定的状态。isEn = 1 寄存器是表示100us的延迟已经完成（28行）。

第34~37行，声明了四个寄存器。H2L_F1，H2L_F2，是针对检测电平由高变低。相反的L2H_F1，L2H_F2，则是针对检测电平由低变高。在41~46行，对各个寄存器初始化了，由于H2L_FX是为了检测由高变低的电平，所以初始化位逻辑1。L2H_FX 是为了检测由低变高的电平，初值被设置为逻辑0。

//初始化

H2L_F1 <= 1'b1;

H2L_F2 <= 1'b1;

//每一个时间的操作

H2L_F1 <= Pin_In;

H2L_F2 <= H2L_F1;

//每一个时间的布尔运算输出

Pin_Out = H2L_F2 & !H2L_F1

上面代码是用来检测电平由高变低。H2L_F1和H2L_F2的初值都是逻辑1。假设第一个时间Pin_In 为低电平，H2L_F1就会被赋值位逻辑0，而H2L_F1则是被赋值为H2L_F1上一个时间的值（也就是H2L_F1的初值）。

我们知道在第一个时间，H2L_F1为逻辑0， H2L_F2位逻辑1。由于对H2L_F1的取反操作，H2L_F1与H2L_F2“求与”运算，所以这个表达式的输出是逻辑1。

再假设第二个时间Pin_In保持为低电平，H2L_F1同样会被赋值为逻辑0, 而H2L_F2则是被赋值为H2L_F1上一个时间的值，亦即逻辑0 (第一个时间的值)。再经过布尔表达式的运算, 在第二个时间，H2L_F1 是逻辑0， H2L_F2是逻辑0， 所以输出的结果是逻辑0.

时间	H2L_F1	H2L_F2	Pin_Out = H2L_F2 ( !H2L_F1 )
Initial	1	1	0
T1	0	1	1
T2	0	0	0

 

第48~53行，正是执行如上的操作，无论是检测电平由高变低或者由低变高，思路基本都是一样。而最后的58~59行，是关于“电平检测”的布尔表达式。但是有一点不同的是，Pin_Out的输出，是发生在100us之后，因为100us之前被 isEn寄存器所限制（原因之前已经说了）。换一句话说，电平检测的有效是100us的延迟之后。

delay_module.v 是10ms延迟的功能模块。模块采用“仿顺序操作”的编写方式（第四章）。第16~42行是“延迟”的写法，第18~28行是1ms的定时器，而第32~40行是计数器。无论是定时器或者计数器都是由 isCount 标志寄存器使能。

第44~71行是“仿顺序操作”（第四章），第46行 i 寄存器用来控制执行的步骤。开始的时候i会根据“H2L_Sig”或者“L2H_Sig”进入不同的步骤（58~60行）。从62~64，或者66~68行，都是延迟10ms的操作，不同的地方就只有 rPin_Out 寄存器的赋值（63行与67行）。

我们先简单的了解一下地44~71行的设计思路：

1）如果H2L_Sig 信号有反应，就进入步骤1，

2）在进入步骤1之后，由于达不到if条件, isCount使能。定时器，计数器呀开始执行。

3）在经过10ms之后，isCount不使能，定时器，计数器停止执行。rPin_Out为逻辑1

。返回步骤0。

又或者：

1）如果L2H_Sig 信号有反应，就进入步骤2，

2）在进入步骤2之后，由于达不到if条件, isCount使能。定时器，计数器呀开始执行。

3）在经过10ms之后，isCount不使能，定时器，计数器停止执行。rPin_Out为逻辑0

。返回步骤0。

Debounce_module.v 是组合模块。模块的组合上上图。信号连线的地方已经很清楚的注释。

完成框图：

实验三结论：

实验三是“功能模块对功能模块”的组合建模。建模方法遵守了“一个模块一个功能”的准则，在加上“图形”和“连线”的描述，以一种最直接的方式，很好的提升“完成模块”的“解读性”和设计的“可能性”。

当然“低级建模”的好处不止在这里而已，随着建模的工程度增加，就会越发的凸显“低级建模”的优势。

实验三配置

黑金版的FPGA型号：CYCLONE II EP2C8Q208C8

实验三所包含的.v文件。

编译成功后的层次关系。

实验三所使用的按键资源是KEY1。

扩展板

核心板

 

核心板和扩展板的链接关系。实验三使用的扩展板资源是KEY1, 亦即PIN3。

实验3使用的LED资源是LED1，亦即PIN69。

引脚配置如上。关于CLK和RSTn的引脚配置就不再重复了。

完成后扩展图。

实验四：消抖模块之二

实验四和实验三的区别，就是输出。实验三的debounce_modulve.v 当检测到由高变低的电平变化时就拉高输出，然而当检查到由低变高的电平变化时拉低输出。实验四的debounce_module.v 当检测到由高变低的电平变化时，拉高输出一个时钟的时间，然后拉低输出。当检测到由低变高的电平变化时，只有消抖动作，输出没有任何影响。

实验四源码：

实验四说明：

大部分的源码和实验三一样，不同的地方就在于delay_module.v的“仿顺序操作”代码段。从上面的代码可以看到，当检测到由高变低的电平变化的时候（第59行），步骤i就进入，步骤1。经延迟10ms过后，拉高输出，然后进入步骤2。步骤2会拉高拉低电平，然后回到步骤0。同样的，在步骤0当检测到由低变高的电平变化是，就会进入步骤3，经延迟10ms过后，就会返回步骤0。