FPGA基于Vivado开发，设计顶层文件Top.v

一通废话

首先得承认，我并不是主动拥抱顶层文件这套思路的，原因很简单，能用就行干嘛费劲搞那么多东西。起初知识点亮一个LED灯，整一个半加器的简单模拟，也确实根本用不上。后边工程有一定的负责度，例如设计数字时钟，LCD1602驱动设计等等，这个时候我就发现了层次化设计的一个便捷之处，在于他们方便复用，只需要定义好一个功能Module，可以在仿真 – 下板之间无缝衔接，增加了自己开发的效率，减少不必要的注释，感兴趣可以接着往下看。

另外自己上述两个工程博客连接：

为什么需要层次化设计

一图胜千言，引用野火开发板他们家的资料（文末备注）里说明复用的思想在哪个地方。举个例子，比如我现在定义了一个橙色的模块，我现在第一层（绿色）的需求是设计一个数字时钟，那么第二层拆分开就是定时1秒（蓝色），定时1分钟（橙色）、定时1小时（红色）。接着蓝色的定时1秒，我再通过其他小模块继续拆分。那么大家有没有想过一个问题，都是同样的计数/计时，秒钟/分钟/时钟不都是一样的吗，只不过一个是定时1秒，一个是60秒，一个是3600秒。是的，我们完全可以统一写一个定时模块（比如第三层蓝色功能模块1_1），改变定时的值（1/6/3600）即可。

也就是说，层次化的设计思想，其实就是拆分需求，减少重复代码统一集成一个公用的模块，这就达到了Module复用的功能。说起来非常高端，我们通过一个简单例子来说明下如何使用吧，时间才是检验真理的唯一标准。

怎么使用

首先要申明一点，目前入门FPGA的阶段属于非常非常，所有工程代码、工程逻辑都可能存在错误，希望各位同学老师能够指出，同时也参考了大量的互联网上优质内容，在这里一并感谢，基于这个原因也决定将核心逻辑进行共享。请勿做一切商业用途。接下来会以我在数字时钟那篇的博客，讲一讲大概的逻辑，具体实操大家可以移步数字时钟的那篇博客。

这里是引用

带大家看三个文件，第一个是功能模块长什么样；第二个是理解顶层文件Top.v长什么样，到底是怎么复用的；第三个是了解testbench文件是如何设计的，和顶层文件有什么区别。

clock1.v文件：

//数字时钟模块
module clock1(
    sec,
    min,
    hour,
    rst,
    sys_clk_p,
    sys_clk_n,
    clk_out1,
    led_out1,
    led_out2
    );
       
input      rst;
input      sys_clk_p;            // Differential input clock 200Mhz
input      sys_clk_n;            // Differential input clock 200Mhz
output     clk_out1;  
output [7:0]  sec,min;
output [7:0]  hour;
output    led_out1;
output    led_out2;
reg    [7:0]  sec=0;
reg    [7:0]  min=0;
reg    [7:0]  hour=0;
reg    [32:0] cnt;
reg    clk_div;
reg    led_out1;
reg    led_out2;


//分频部分  50MHz - 1Hz
always @ ( posedge clk_out1 or posedge rst)begin
	篇幅原因略去代码
end

// 秒钟部分
always @ ( posedge clk_div  or posedge rst)begin
	篇幅原因略去代码
end

//分钟部分
always @ ( posedge clk_div or posedge rst)begin
	篇幅原因略去代码
end

// 时钟部分
always @ ( posedge clk_div or posedge rst)
	篇幅原因略去代码
end

endmodule

这个模块该有的功能全都有，篇幅原因省去的代码其实都基本一个样。需要关注到的是这个module里边详细定义了sec、min、hour这三个变量，并且都是output类型。因为我们是对顶层设计的举例子，代码详细功能不在这里讲解。接下来一并看剩下两个文件。

Top.v文件

module TOP(
    input rst,
    input sys_clk_p,
    input sys_clk_n,
    output clk_out1,
    output led_out1,
    output led_out2
    );
//***********差分时钟50MHz *****************************************
wire   sys_clk_p;
wire   sys_clk_n;
wire   rst;
wire   clk_out1; 
//***********数字时钟****************************************
wire   led_out1;
wire   led_out2;

//时钟模块初始化
clock1 clock(
    .led_out1(led_out1),
    .led_out2(led_out2),
    .rst(rst),
    .sys_clk_p(sys_clk_p        ),
    .sys_clk_n(sys_clk_n        ),
    .clk_out1(clk_out1        )
    );

//PLL分频的代码

endmodule

Testbench文件

`timescale 1ns / 1ns

module clock1_tb();

//***********??????*****************************************
reg   sys_clk_p;
wire  sys_clk_n;
reg     rst;
wire    clk_out1; 
//***********??????*****************************************
wire [7:0]   sec;
wire [7:0]   min;
wire [7:0]   hour;
wire   led_out1;
wire   led_out2;

//初始化系统时钟
initial begin
    sys_clk_p = 1'b0;
	略去代码
end

//数字时钟初始化
clock1 clock(
    .led_out1(led_out1),
    .led_out2(led_out2),
    .sec(sec),
    .min(min),
    .hour(hour),
    .rst(rst),
    .sys_clk_p(sys_clk_p        ),
    .sys_clk_n(sys_clk_n        ),
    .clk_out1(clk_out1        )
    );    
    
//PLL时钟分频

endmodule

可以看两个文件夹，代码基本都是一模一样的，定义好端口（input/output/wire/reg等），初始化clock模块如何结束。

• 区别1：Top.v顶层文件没有申明sec/min/hour这几个端口，但testbench文件申明了；
• 区别2：testbench文件需要初始化相关的值、时钟等，但Top.v文件不需要；

这里重点关注第一点，我们这里并不需要把sec、min、hour这三个寄存器变量输出（需要制定引脚），所以我们在Top.v文件里边不声明他的输入输出类型，但实际下板却并不影响clock功能的实现，因为模块的功能实现与否，和你是否声明并无关系。你申明了，他就展示出来，不声明他就不展示出来，但功能一直都在实现。

这样写的一个好处就是，我们只需要写好一个module文件，在仿真测试，以及下板验证的时候都能够很快、很简单地实现，而不用大量复制代码，在两头切换。

补充

在testbench文件我们对他进行声明了，当然了，因为我们仿真的时候需要这个变量来看看，初步确认他的功能是好的，实际下板我们并不需要把秒、分、时都输出出来（设想一个寄存器变量占8位，3个就是24位，并没有这么多引脚给你占用）。当然如果你有意为之，你也可以如下设置这三个变量，那么你便需要设置相关引脚并进行下一步。

此时的Top.v文件

module TOP(
    output sec,
    output min,
    output hour,
	…………
	同上
    );

wire [7:0]   sec;
wire [7:0]   min;
wire [7:0]   hour;

//***********差分时钟50MHz *****************************************
同上

//***********数字时钟****************************************
同上

//时钟模块初始化
同上

//PLL分频的代码
同上

endmodule

不声明，但功能实现时候，引脚的截图：

不声明，功能也实现时候，引脚的截图：

总结

• 本文稍微介绍了下什么是层次化设计，举了个数字时钟的例子
• 以数字时钟为例，讲了如何在顶层文件Top.v复用定义好的module（Testbench也可以理解为一种顶层文件）；
• 顶层文件选择性地不声明相关引脚，减少引脚使用；仿真申明引脚以便查看功能完整性和正确性；

参考

• FPGA Verilog 开发实战指南 – 基于 Xilinx Artix7，野火（非常推荐这本书和他们家的白嫖资料）；
• 基于FPGA的数字时钟（使用vivado）
• 基于FPGA的简易时钟（含verilog源码）

以上。

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