(原创)task和function语法的使用讨论(Verilog，CPLD/FPGA)

1. Abstract

  function和task语句的功能有很多的相似之处，在需要有多个相同的电路生成时，可以考虑使用它们来实现。因为个人使用它们比较少，所以对它们没有进行更深的了解，现在时间比较充裕，我想通过写几个简单的电路将它们二者的功能进行验证一下，看看究竟是怎么生成电路的。

2. Contents

    主要为测试function和task各自生成的电路，所以电路设计功能比较简单——4位BCD码转换成4位余3码。

    文件开头的注释说明。

/* --------------------------------------- 
    Module Name:         temp 
    Module Function:    将4位BCD码转换成为余3码，无效状态为4'b0000 
    Module Input:         4-bit data_in 
    Module Output:      4-bit data_out 
    Module Reference:    None 
    Note：                  码表如下 
######################################## 
          data_in        data_out    
    0      4'b0000        4'b0011 
    1      4'b0001        4'b0100    
    2      4'b0010        4'b0101    
    3      4'b0011        4'b0110 
    4      4'b0100        4'b0111 
    5      4'b0101        4'b1000 
    6      4'b0110        4'b1001 
    7      4'b0111        4'b1010 
    8      4'b1000        4'b1011 
    9      4'b1001        4'b1100 
    10      4'b1010        4'b0000        无效 
    11      4'b1011        4'b0000        无效 
    12      4'b1100        4'b0000        无效 
    13      4'b1101        4'b0000        无效 
    14      4'b1110        4'b0000        无效 
    15      4'b1111        4'b0000        无效 
   ---------------------------------------*/

    2.1 直接使用组合逻辑电路生成BCD码转余3码。

module temp(data_in,data_out); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 

always @(data_in) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  data_out = data_in + 4'd3; 
end 

endmodule

    用RTL视图查看一下生成出来的网表

FIG2.1 直接用组合逻辑生成的逻辑图

    生成出来的电路由加法器、比较器和选择器构成，输入数据data_in + 3作为选择器的选择控制，下面做一下验证测试。

FIG2.2 测试仿真验证

    2.2 用task语句编写组合电路

module temp(data_in,data_out); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 

always @(data_in) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  BCD2Access3(data_out,data_in); 
end 

task BCD2Access3; 
output [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 

    data_out = data_in + 4'd3; 
endtask 
endmodule

     用RTL视图查看一下最后生成的网表。

FIG2.3 使用task语句生成出的逻辑图

    仔细对比，FIG2.3和FIG2.1是一模一样的，也就是说采用task语句可以生成预期的逻辑图，非常成功！既然生成出的逻辑图都是一样的，测试部分在此就省略了吧，和FIG2.2应该是一样的。

2.3 用function语句编写组合逻辑

module temp(data_in,data_out); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 

always @(data_in) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  data_out = BCD2Access3(data_in); 
end 

function [3:0] BCD2Access3; 
input [3:0] data_in; 

BCD2Access3 = data_in + 4'd3; 
endfunction 
endmodule

    用RTL视图查看一下最后生成出来的网表。

FIG2.4 使用function语句生成出的逻辑图

    相信已经很熟悉这个逻辑图了，与前面的FIG2.1一模一样，也就是说使用function语句也是可以生成预期的电路的，而且也是非常成功的！既然逻辑图都是与前面一致的，故测试部分……也省去了吧。

   小结一下，用function和task语句都可以生成预期的逻辑电路，不过，查查语法书，可以知道task语句的适用性更广泛一点，更符合逻辑思维的习惯；function最大的好处就是可以有一个返回值，运算以后结果可以直接返回供调用的块使用。

  在组合逻辑设计的过程中，写成可综合的电路可以达到预期的生成电路逻辑，那么在时序逻辑设计中，function和task语句又会生成出怎样的电路呢？还是以这一个电路功能为模板，值得注意的是，得额外加一个时钟信号。

2.4 直接使用时序逻辑编写的BCD码转余3码。

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 
input clk; 

always @(posedge clk) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  data_out <= data_in + 3'd3; 
end 

endmodule

    用RTL视图来看下生成出来的逻辑网表。

FIG2.5 直接用时序逻辑编写生成的逻辑网表

    和上面生成的逻辑网表相比，多了一个锁存器，这也是典型的时序逻辑的特征，数据的变化只在clk的上升沿才有效。下面来做一下电路逻辑的验证。

FIG2.6 时序逻辑网表的验证

    图确实有点小，可能看起来有点不方便，但逻辑的功能是正确的，每到clk的上升沿，数据更新一次，译码是正确的，为了方便看，再截取一部分出来吧，作为一个局部放大图。

FIG2.7 时序逻辑验证的局部放大图

    直接用时序逻辑设计成功了，再尝试着用task语句和function语句实现，看看最后的效果会怎么样。

2.5 时序逻辑下使用task语句实现电路

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 
input clk; 

always @(posedge clk) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  BCD2Access3(data_out,data_in); 
end 

task BCD2Access3; 
output [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 

    data_out = data_in + 4'd3; 
endtask 

endmodule

    用RTL视图来看一下生成的逻辑网表。

FIG2.8 使用task语句生成的逻辑网表

     同样，仔细对照一下，发现FIG2.8和FIG2.6是一样的，也就是说在时序逻辑中使用task语句也是可以实现预期的电路的，非常的成功！和上述讨论的一样，既然逻辑图相同的话，验证的部分就略去了吧。

2.6 时序逻辑下用function语句实现电路

module temp(data_in,data_out,clk); 

output reg [3:0] data_out; 
input [3:0] data_in; 
input clk; 

always @(posedge clk) 
begin 
    if(data_in >=  4'd10) data_out = 4'b0000; 
    else  data_out <= BCD2Access3(data_in); 
end 

function [3:0] BCD2Access3; 
input [3:0] data_in; 

BCD2Access3 = data_in + 4'd3; 
endfunction 

endmodule

    跟上面一样，用RTL视图来看看最后生成出来的电路。

FIG2.9 时序逻辑下使用function语句生成的逻辑网表

    仔细对比，会发现跟如上的逻辑网表一样，也就是说在时序逻辑下使用function语句也是可以实现预期的电路的，非常的成功！逻辑网表一致的话，在此逻辑的验证容我略去吧。

    小结一下，在时序逻辑的电路设计中，也可以使用task语句和function语句来实现电路。

    在学习过程中，也不断的在看语法书，毕竟这一块是我不太熟悉的地方，现在将它们使用的一些要点整理出来，对如何使用和最后生成怎样的很有参考帮助。

task语句要点 

（1）若用于任务中的命名变量或参数没有在任务块中声明，则指的是在模块中声明的命名变量或参数。

（2）任务中的input，output和inout的个数不受限制（也可以为0个）。（任务可以没有参数）

（3）任务中的变量（包括输入(input)和双向端口(inout)）可以声明为寄存器型。如果没有明确地声明，则默认为寄存器类型，且其位宽与相应的变量匹配。

（4）当启动任务时，相应于任务的输入和双向端口(inout)的变量表达式的值被存入相应的变量寄存器中。当任务结束时，输入和双向端口(inout)的变量寄存器中的值又被代入启动任务的语句中相应的表达式。

电路综合参考：包含时序控制语句的任务是不可综合的。启动的任务往往被综合成组合逻辑。 

function语句要点

（1）函数必须至少有一个输入变量，不能有任何输出或输入/输出双向变量(output 和inout类型)。

（2）函数不能包含时间控制语句（如延迟#、事件控制@或者等待wait）。

（3）函数是通过对函数名赋值的途径返回其值的，就好比是一个寄存器。

（4）函数不能启动任务。

（5）函数不能被禁用。（特指应用于编写测试文件）

    电路综合参考：函数的每一次调用都被综合为一个独立的组合逻辑电路块。

3.Conclusion

    总体来说，task的功能更加符合硬件逻辑设计的习惯，而且语法中对它的限制比较少。而且它们最终生成的电路都是组合逻辑，所以在需要产生多个相同的模块时，可以采用由它们构成。

4.Platform

  Quartus II 9.1 Build 222 Full Version

5.Reference

[1] Verilog 数字系统设计教程（第2版） 夏宇闻

[2] Advanced Digital Design with the Verilog HDL (Second Edition) Michael D.Ciletti