Verilog 函数

关键词：函数，大小端转换，数码管译码

在 Verilog 中，可以利用任务（关键字为 ​task​）或函数（关键字为 ​function​），将重复性的行为级设计进行提取，并在多个地方调用，来避免重复代码的多次编写，使代码更加的简洁、易懂。

函数

函数只能在模块中定义，位置任意，并在模块的任何地方引用，作用范围也局限于此模块。函数主要有以下几个特点：

1. 不含有任何延迟、时序或时序控制逻辑
2. 至少有一个输入变量
3. 只有一个返回值，且没有输出
4. 不含有非阻塞赋值语句
5. 函数可以调用其他函数，但是不能调用任务

Verilog 函数声明格式如下：

function [range-1:0]     function_id ;
input_declaration ;
 other_declaration ;
procedural_statement ;
endfunction

函数在声明时，会隐式的声明一个宽度为 ​range​、 名字为 ​function_id ​的寄存器变量，函数的返回值通过这个变量进行传递。当该寄存器变量没有指定位宽时，默认位宽为 1。

函数通过指明函数名与输入变量进行调用。函数结束时，返回值被传递到调用处。

函数调用格式如下：

function_id(input1, input2, …);

下面用函数实现一个数据大小端转换的功能。

当输入为 ​4'b0011​ 时，输出可为 ​4'b1100​。例如：

module endian_rvs
    #(parameter N = 4)
        (
            input             en,     //enable control
            input [N-1:0]     a ,
            output [N-1:0]    b
    );
         
        reg [N-1:0]          b_temp ;
        always @(*) begin
        if (en) begin
                b_temp =  data_rvs(a);
            end
            else begin
                b_temp = 0 ;
            end
    end
        assign b = b_temp ;
         
    //function entity
        function [N-1:0]     data_rvs ;
            input     [N-1:0] data_in ;
            parameter         MASK = 32'h3 ;
            integer           k ;
            begin
                for(k=0; k<N; k=k+1) begin
                    data_rvs[N-k-1]  = data_in[k] ;  
                end
            end
    endfunction
         
endmodule

函数里的参数也可以改写，例如：

defparam data_rvs.MASK = 32'd7 ;

但是仿真时发现，此种写法编译可以通过，仿真结果中，函数里的参数 ​MASK ​实际并没有改写成功，仍然为 ​32'h3​。这可能和编译器有关，有兴趣的学者可以用其他 Verilog 编译器进行下实验。

函数在声明时，也可以在函数名后面加一个括号，将 ​input ​声明包起来。

例如上述大小端声明函数可以表示为：

function [N-1:0]     data_rvs（
input     [N-1:0] data_in 
    ......
    ） ;

常数函数

常数函数是指在仿真开始之前，在编译期间就计算出结果为常数的函数。常数函数不允许访问全局变量或者调用系统函数，但是可以调用另一个常数函数。

这种函数能够用来引用复杂的值，因此可用来代替常量。

例如下面一个常量函数，可以来计算模块中地址总线的宽度：

parameter    MEM_DEPTH = 256 ;
reg  [logb2(MEM_DEPTH)-1: 0] addr ; //可得addr的宽度为8bit
 
    function integer     logb2;
    input integer     depth ;
        //256为9bit，我们最终数据应该是8，所以需depth=2时提前停止循环
    for(logb2=0; depth>1; logb2=logb2+1) begin
        depth = depth >> 1 ;
    end
endfunction

automatic 函数

在 Verilog 中，一般函数的局部变量是静态的，即函数的每次调用，函数的局部变量都会使用同一个存储空间。若某个函数在两个不同的地方同时并发的调用，那么两个函数调用行为同时对同一块地址进行操作，会导致不确定的函数结果。

Verilog 用关键字 ​automatic ​来对函数进行说明，此类函数在调用时是可以自动分配新的内存空间的，也可以理解为是可递归的。因此，​automatic ​函数中声明的局部变量不能通过层次命名进行访问，但是 ​automatic ​函数本身可以通过层次名进行调用。

下面用 ​automatic ​函数，实现阶乘计算：

wire [31:0]          results3 = factorial(4);
function automatic   integer         factorial ;
    input integer     data ;
    integer           i ;
    begin
        factorial = (data>=2)? data * factorial(data-1) : 1 ;
    end
endfunction // factorial

下面是加关键字 ​automatic ​和不加关键字 ​automatic ​的仿真结果。

由图可知，信号 results3 得到了我们想要的结果，即 4 的阶乘。

而信号 ​results_noauto ​值为 1，不是可预知的正常结果，这里不再做无用分析。

数码管译码

上述中涉及的相关函数知识似乎并没有体现出函数的优越性。下面设计一个 4 位 10 进制的数码管译码器，来说明函数可以简化代码的优点。

下图是一个数码管的实物图，可以用来显示 4 位十进制的数字。在比赛计分、时间计时等方面有着相当广泛的应用。

每位数码显示端有 8 个光亮控制端（如图中 a-g 所示），可以用来控制显示数字 0-9 。

而数码管有 4 个片选（如图中 1-4），用来控制此时哪一位数码显示端应该选通，即应该发光。倘若在很短的时间内，依次对 4 个数码显示端进行片选发光，同时在不同片选下给予不同的光亮控制（各对应 4 位十进制数字），那么在肉眼不能分辨的情况下，就达到了同时显示 4 位十进制数字的效果。

下面，我们用信号 ​abcdefg ​来控制光亮控制端，用信号 ​csn ​来控制片选，4 位 10 进制的数字个十百千位分别用 4 个 4bit 信号 ​single_digit​, ​ten_digit​, ​hundred_digit​, ​kilo_digit ​来表示，则一个数码管的显示设计可以描述如下：

module digital_tube
     (
      input             clk ,
      input             rstn ,
      input             en ,
 
      input [3:0]       single_digit ,
      input [3:0]       ten_digit ,
      input [3:0]       hundred_digit ,
      input [3:0]       kilo_digit ,
 
      output reg [3:0]  csn , //chip select, low-available
      output reg [6:0]  abcdefg        //light control
      );
 
    reg [1:0]            scan_r ;  //scan_ctrl
    always @ (posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn)begin
            csn            <= 4'b1111;
            abcdefg        <= 'd0;
            scan_r         <= 3'd0;
        end
        else if (en) begin
            case(scan_r)
            2'd0:begin
                scan_r    <= 3'd1;
                csn       <= 4'b0111;     //select single digit
                abcdefg   <= dt_translate(single_digit);
            end
            2'd1:begin
                scan_r    <= 3'd2;
                csn       <= 4'b1011;     //select ten digit
                abcdefg   <= dt_translate(ten_digit);
            end
            2'd2:begin
                scan_r    <= 3'd3;
                csn       <= 4'b1101;     //select hundred digit
                abcdefg   <= dt_translate(hundred_digit);
            end
            2'd3:begin
                scan_r    <= 3'd0;
                csn       <= 4'b1110;     //select kilo digit
                abcdefg   <= dt_translate(kilo_digit);
            end
            endcase
        end
    end
 
    /*------------ translate function -------*/
    function [6:0] dt_translate;
        input [3:0]   data;
        begin
        case(data)
            4'd0: dt_translate = 7'b1111110;     //number 0 -> 0x7e
            4'd1: dt_translate = 7'b0110000;     //number 1 -> 0x30
            4'd2: dt_translate = 7'b1101101;     //number 2 -> 0x6d
            4'd3: dt_translate = 7'b1111001;     //number 3 -> 0x79
            4'd4: dt_translate = 7'b0110011;     //number 4 -> 0x33
            4'd5: dt_translate = 7'b1011011;     //number 5 -> 0x5b
            4'd6: dt_translate = 7'b1011111;     //number 6 -> 0x5f
            4'd7: dt_translate = 7'b1110000;     //number 7 -> 0x70
            4'd8: dt_translate = 7'b1111111;     //number 8 -> 0x7f
            4'd9: dt_translate = 7'b1111011;     //number 9 -> 0x7b
        endcase
        end
    endfunction
 
endmodule

仿真结果如下

由图可知，片选、译码等信号，均符合设计。实际中，4 位数字应当在一定的时间内保持不变，而片选信号不停的循环扫描，数码管才能给肉眼呈现一种静态显示的效果。

小结

如果译码器设计没有使用函数 ​dt_translate​，则在每个 ​case ​选项里对信号 ​abcdefg ​进行赋值时，还需要对 ​single_digit​，​ten_digit​, ​hundred_digit​, ​kilo_digit ​进行判断。这些判断语句又会重复 4 次。虽然最后综合出的实际硬件电路可能是一样的，但显然使用函数后的代码更加的简洁、易读。

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