Verilog Parameter: 모듈을 구성 가능하게 만들기

비틀린 상수

parameter는 상수입니다 - 시뮬레이션이 시작되기 전에 컴파일러가 값을 선택해 설계에 굳혀 넣습니다. 비틀린 부분은 모듈을 인스턴스화하는 누구든 값을 바꿀 수 있다는 점입니다. 같은 모듈 소스 파일이 호출자가 매개변수화한 방식에 따라 크기가 다른 회로를 만들 수 있습니다.

이게 재사용 가능한 IP를 만드는 방법입니다. WIDTH와 DEPTH parameter를 가진 FIFO 모듈 하나가 회사의 모든 팀에 봉사할 수 있습니다. WIDTH parameter를 가진 카운터는 16까지 세든 40억까지 세든 같은 소스입니다.

기본 parameter 선언

module counter #(
    parameter WIDTH = 8
)(
    input  wire             clk,
    input  wire             reset,
    output reg  [WIDTH-1:0] count
);
    always @(posedge clk) begin
        if (reset) count <= 0;
        else       count <= count + 1;
    end
endmodule

module test;
    reg clk = 0;
    reg reset = 1;
    wire [7:0] count8;
    wire [15:0] count16;

    // 기본 WIDTH = 8
    counter dut8(.clk(clk), .reset(reset), .count(count8));

    // 이 인스턴스에서는 WIDTH를 16으로 오버라이드
    counter #(.WIDTH(16)) dut16(.clk(clk), .reset(reset), .count(count16));

    always #5 clk = ~clk;

    initial begin
        #12 reset = 0;
        #40 $display("after 4 clocks: count8=%0d count16=%0d", count8, count16);
        $finish;
    end
endmodule

새 문법 세 가지.

1. Parameter 블록: 모듈 이름과 port list 사이에 #( parameter WIDTH = 8 ). 기본값 8은 누구도 오버라이드하지 않을 때 모듈이 사용하는 값입니다.
2. 사용처: output reg [WIDTH-1:0] count. parameter는 그냥 상수입니다 - 비트 범위에 끼워 넣습니다. 같은 모듈 소스가 WIDTH에 따라 8비트나 16비트 출력을 만들어 냅니다.
3. 오버라이드 문법: 인스턴스화 시 counter #(.WIDTH(16)) dut16(...). #(...) 블록은 모듈 이름 다음, 인스턴스 이름 앞에 위치합니다. 언급하지 않은 parameter는 기본값을 유지합니다.

localparam: 내부 상수

호출자가 오버라이드하지 않았으면 하는 상수가 있습니다. 상태 인코딩이 전형적입니다.

module fsm(input wire clk, input wire reset, input wire go, output reg busy);
    // 상태는 구현 세부 사항입니다 - 외부에서 신경 쓰면 안 됩니다.
    localparam IDLE    = 2'd0;
    localparam RUNNING = 2'd1;
    localparam DONE    = 2'd2;

    reg [1:0] state;

    always @(posedge clk) begin
        if (reset) state <= IDLE;
        else begin
            case (state)
                IDLE:    if (go) state <= RUNNING;
                RUNNING: state <= DONE;
                DONE:    state <= IDLE;
            endcase
        end
    end

    always @(*) busy = (state != IDLE);
endmodule

module test;
    reg clk = 0;
    reg reset = 1;
    reg go = 0;
    wire busy;

    fsm dut(.clk(clk), .reset(reset), .go(go), .busy(busy));

    always #5 clk = ~clk;

    initial begin
        #12 reset = 0;
        #5  go = 1;
        #10 go = 0;
        #40 $finish;
    end

    always @(posedge clk) $display("t=%0t state=%0d busy=%b", $time, dut.state, busy);
endmodule

localparam은 IDLE, RUNNING, DONE을 모듈 내부에서 쓸 수 있게 하면서 인스턴스화에서 오버라이드는 불가능하게 합니다. 옳은 선택입니다 - 외부에서 IDLE이 어떤 상태 값을 가리키는지 바꾸는 건 끔찍한 일입니다.

호출자가 구성해야 할 것(너비, 깊이, 동작 옵션)에는 parameter를, 나머지에는 localparam을 사용하세요. 흔한 패턴은 parameter로부터 localparam을 파생시키는 것입니다.

parameter WIDTH = 32;
localparam WIDTH_M1 = WIDTH - 1;   // 한 번 계산; 오버라이드 불가

실전: 매개변수화된 너비

parameter의 가장 흔한 용도는 버스 너비를 유연하게 만드는 것입니다. 어떤 너비에서도 동작하는 가산기.

module adder #(
    parameter WIDTH = 8
)(
    input  wire [WIDTH-1:0] a,
    input  wire [WIDTH-1:0] b,
    output wire [WIDTH:0]   sum    // carry-out을 위해 +1
);
    assign sum = a + b;
endmodule

module test;
    reg  [3:0]  a4, b4;
    wire [4:0]  sum4;
    reg  [15:0] a16, b16;
    wire [16:0] sum16;

    adder #(.WIDTH(4))  small(.a(a4),  .b(b4),  .sum(sum4));
    adder #(.WIDTH(16)) big  (.a(a16), .b(b16), .sum(sum16));

    initial begin
        a4  = 4'd9;       b4  = 4'd8;
        a16 = 16'd60000;  b16 = 16'd10000;
        #1;
        $display("small: %0d + %0d = %0d", a4,  b4,  sum4);
        $display("big  : %0d + %0d = %0d", a16, b16, sum16);
        $finish;
    end
endmodule

소스 파일 하나, 인스턴스 둘, 너비 둘, 복붙 없음. 이게 parameter의 효용 전부입니다.

여러 parameter, named 오버라이드

큰 모듈에는 종종 여러 parameter가 있습니다. 이름으로 어떤 순서로든 오버라이드하세요.

module fifo #(
    parameter WIDTH = 8,
    parameter DEPTH = 16,
    parameter AFULL = DEPTH - 2
)(
    input  wire             clk,
    input  wire             reset,
    // ... 포트들 ...
);
    // ...
endmodule

// 호출 지점에서:
fifo #(.WIDTH(32), .DEPTH(1024)) cmd_queue (.clk(clk), .reset(reset), ...);

모든 parameter를 오버라이드해야 하는 건 아닙니다. 언급되지 않은 parameter는 기본값을 유지합니다. 예제의 AFULL 기본값은 DEPTH로부터 계산되므로, DEPTH를 오버라이드하면 AFULL도 자동으로 따라갑니다 - AFULL을 독립적으로 오버라이드하지 못하게 하고 싶다면 localparam이 처리할 만한 의존성이기도 합니다.

흔한 실수

오버라이드에서 #을 잊는 것. counter (.WIDTH(16)) dut(...)는 오버라이드처럼 보이지만 Verilog은 (.WIDTH(16))을 포트 연결로 읽습니다. counter #(.WIDTH(16)) dut(...)로 적어야 합니다.

상수가 아닌 곳에 parameter 사용. parameter는 elaboration 시점에 결정됩니다 - 신호가 존재하기 전입니다. 런타임 신호 위에서 매개변수화할 수 없습니다 - 값이 시뮬레이션 시간에 입력이 무엇을 하는지에 의존한다면 그건 parameter가 아니라 로직입니다.

port list에서 parameter와 localparam 혼동. 맨 위의 #(...) 블록에는 parameter만 들어갑니다. localparam은 본문 안에 살죠. 둘을 바꿔 쓰면 컴파일러가 알려 줍니다.

다음에 볼 내용

이제 컴파일 시점에 크기가 결정되는 모듈을 만들 수 있습니다. 다음 두 문서는 리터럴 상수(8'h1F, 4'b1010, 32'd100) 작성 규칙과, 신호가 구동되지 않거나 충돌할 때 등장하는 x와 z 값을 다룹니다. 그 다음에는 연산자로 이동합니다 - 이제까지 본 vector와 parameter로 할 수 있는 모든 것.