使用SystemVerilog简化FPGA中的接口

FPGA工程师们应该都会吐槽Verilog的语法，相当的不友好，尤其是对于有很多接口的模块，像AXI4/AXI-Lite这种常用的总线接口，动不动就好几十根线，写起来是相当费劲。

当然现在Xilinx推荐使用纯bd文件的方式来设计FPGA，这样HDL代码就会少了很多。但我们大多数的工程还是无法避免使用HDL来连接两个module。所以本文就推荐使用SystemVerilog来简化FPGA中接口的连接方式。

也许很多FPGA工程师对SystemVerilog并不是很了解，因为以前的FPGA开发工具是不支持SystemVerilog的，导致大家都是用VHDL或者Verilog来开发，但现在Vivado对SystemVerilog的支持已经比较好了，完全可以使用SystemVerilog写出可综合的FPGA程序，而且FPGA开发中只会使用的SystemVerilog语法的一小部分，入门也很快，因此建议FPGA工程师学一下SystemVerilog。

本文中用到的logic关键字的解释可以参考SystemVerilog教程之数据类型1

此次例程也比较简单，有两个模块module1和module2，module1中输出a和b，在module2中完成加法后再返还给module1，最终输出的led=c | a。

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image-20200720203534072

首先用Verilog来实现，代码也比较简单，就简单解释一句：文件格式都是.sv，这是因为SystemVerilog的语法都是包含Verilog的。

//top.sv
module top(
 input        clk,
 input        rst,
 output [3:0] led
 );

logic    [3:0] a ;
logic    [3:0] b ;
logic    [3:0] c ;

module1 inst_module1(
    .clk  (clk  ),
    .rst  (rst  ),
    .a    (a),
    .b    (b),
    .c    (c),
    .led  (led)
    );   

module2 inst_module2(
    .clk  (clk  ),
    .rst  (rst  ),
    .a    (a),
    .b    (b),
    .c    (c)
    );  

endmodule

// module1.sv
module module1(
 input clk,
 input rst,
 output logic [3:0] a,
 output logic [3:0] b,
 input  logic [3:0] c,
 output logic [3:0] led
    );

 assign led = c | a;

 always @ ( posedge clk ) begin
    if(rst) begin
        a <= 4'd1;
        b <= 4'd2;
    end
    else begin
        a <= a + 1'b1;
        b <= b + 1'b1;
    end
 end 

endmodule

// module2.sv

module module2(
 input clk,
 input rst,
 input  logic [3:0] a,
 input  logic [3:0] b,
 output logic [3:0] c
    );

 always @ ( posedge clk ) begin
    if(rst) 
        c <= 4'd1;
    else 
        c <= a + b;
 end 

endmodule

综合之后的Schematic如下图所示：（为了更好的表示电路结构，我将flatten_hierarchy选为了none）

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image-20200720192328527

下面我们把程序稍作改动，将a/b/c三个接口使用SystemVerilog中的interface来连接。

在工程中添加my_itf.sv文件如下：

// my_itf.sv
interface my_itf;
   logic [3:0] a, b, c;

   modport mod1 (input c,    output a, b);
   modport mod2 (input a, b, output c  );

endinterface : my_itf

关键字interface就表示要创建一个接口模块，里面包含了3个接口：a/b/c。

modport定义了这三个接口的方向，对于module1来说，a和b是输出，c是输入；对于module2来说，a和b是输入，c是输出。

注：也可以不使用modport，Vivado会根据代码自动推断出接口的方向，但不建议这么做

修改module1.sv如下，其中a/b/c端口换成了my_itf.mod1 itf_abc，my_itf.mod1就表示my_itf接口的方向按照mod1中指定的，而且代码中的a、b、c要相应的换成itf_abc.a、itf_abc.b、itf_abc.c.

// module1.sv
module module1(
 input clk,
 input rst,
 my_itf.mod1 itf_abc,
 output logic [3:0] led
    );

 assign led = itf_abc.c | itf_abc.a;

 always @ ( posedge clk ) begin
    if(rst) begin
        itf_abc.a <= 4'd1;
        itf_abc.b <= 4'd2;
    end
    else begin
        itf_abc.a <= itf_abc.a + 1'b1;
        itf_abc.b <= itf_abc.b + 1'b1;
    end
 end 

endmodule

修改module2.sv代码如下，原则跟上面是一样的，不再赘述。

// module2.sv
module module2(
 input clk,
 input rst,
 my_itf.mod2 itf_abc
    );


 always @ ( posedge clk ) begin
    if(rst) 
        itf_abc.c <= 4'd1;
    else 
        itf_abc.c <= itf_abc.a + itf_abc.b;
 end 

endmodule

修改top.sv如下，例化my_itf接口，将itf_abc.mod1传给module1，将itf_abc.mod2传给module2.

// top.sv
module top(
 input        clk,
 input        rst,
 output [3:0] led
    );

    logic    [3:0] a ;
    logic    [3:0] b ;
    logic    [3:0] c ;

    my_itf itf_abc();

    module1 inst_module1(
        .clk       (clk  ),
        .rst       (rst  ),
        .itf_abc   (itf_abc.mod1),
        .led       (led)
    );   

    module2 inst_module2(
        .clk       (clk  ),
        .rst       (rst  ),
        .itf_abc   (itf_abc.mod2)
    );  

endmodule

大功告成！！！

综合后Schematic如下，跟上面的图只是名字不同，电路是一样的。