第二章 低级建模的基础

第二章：低级建模的基础

2.1顺序操作和并行操作

顺序操作和并行操作，是新手们很容易混乱的一个重点。但是为了将低级建模发挥到极限，这一点必须好好的理解。Verilog HDL语言，虽然不同与其他高级语言的优秀结构性，但是作为硬件描述语言的它，最大的优势是并行操作。

顺序操作有如“步骤”概念，如果上一个行为没有完成，下一个行为就没有执行的意义。而并行操作最为不同的是，两个行为都是独立执行，互不影响。那么，我们从一个典型的实验“流水灯实验”，在具体上来理解它们的不同之处。

下图是两种以不同操作方式建立的“流水灯实验”。

1)点亮第一个LED，延迟一段时间。

2)点亮第二个LED，延迟一段时间。

3)点亮第三个LED，延迟一段时间。

4)点亮第四个LED，延迟一段时间。

5)重复第一个步骤。

从上面看来，我们明白“流水灯效果的产生”主要是以“顺序的方式”执行5个步骤。这可能是人类自然的思维方式吧，人类真的是奇怪的动物，虽然人类的大脑是并行操作的，但是人类的思维方式比较偏向“顺序操作”。为什么呢？

如果引用现实中的实例，如果四个LED失去了“指挥者”，那么它们就罢工了！因为它们失去“执行发号”的第二方，这样的情况就如同上面内容如果没有了“1”，“2”，“3”,“4”，“5”的数目字，那么你又如何看懂“流水灯如何产生呢？”

换一句话说，“顺序操作”的代表往往都有一个“指挥者”或者名为“控制器”东西的存在，执行着“工作的次序（步骤）”。

我相信很多学习FPGA的朋友都有学过单片机。学习单片机的时候，可能是C语言或者汇编语言的关系，所以很多朋友在不知不觉中的情况习惯了“顺序操作”这样的概念。新手们常常忽略了，FPGA有存在着“顺序操作”和“并行操作”的概念。如果打从一开始就忽略了它们，往后的日子很难避免遇见瓶颈。

那么换成是“并行操作”的流水灯是如何的呢？结果我们从实验中理解...

实验一：永远的流水灯。

这一个实验，我们要以上图作为基础，建立一个并行操作的流水灯模块。扫描频配置定为100Hz，而每一个功能模块在特定的时间内，将输出拉高。

示意图如下：

从上图我们可以看到，功能模块1在时间的第一个1/4拉高输出，功能模块2在时间的第二个1/4拉高输出，其余的两个功能模块也是以此类推。所以在一个固定的时间周期内（10ms）,每一个功能模块所占的时间都是2.5ms。

实验一源码：

实验一说明：

注：实验文件为路径./Experiment01/之下。建模过程请参考“实验一配置”。

led0_module.v,led1_module.v,led2_module.v,led3_module.v，的源码都是大同小异。第12行是10ms计数器的常量声明。第16~24行是一个计数器，计数器计数范围为10ms。而在28~36行是决定4个功能模块的不同之处。

led0_module.v功能模块是在时间的第一个1/4拉高输出。

led1_module.v功能模块是在时间的第二个1/4拉高输出。

led2_module.v功能模块是在时间的第三个1/4拉高输出。

led3_module.v功能模块是在时间的第四个1/4拉高输出。

而top.v是顶层模块，用来组织这四个功能模块。

实验一总结：

从实验的结果看来利用“并行操作”实现的流水灯，在现实的肉眼中和“顺序操作”没有任何两样。但是从“理解上”就有很大的差别。

led0_module.v功能模块是在时间的第一个1/4拉高输出。

led1_module.v功能模块是在时间的第二个1/4拉高输出。

led2_module.v功能模块是在时间的第三个1/4拉高输出。

led3_module.v功能模块是在时间的第四个1/4拉高输出。

上面的内容表示了，4个功能模块是独立操作的。由于输出在时间上不同，在肉眼中才会看到流水灯的效果。用现实的角度去思考的话，宛如有四个局内人，无不关系，各自只是按照自己的节奏完成自己的工作。在局外人的眼中，他们如同有默契般，不需要“指挥者”也能完成任务。

在这里说一点局外话。“并行操作”的建模程度虽说猥琐。但是在理解上非常适合“FPGA+Verilog HDL”的口味。平常我们在设计程序的时候，在无意识中使用了“顺序操作”的思维，如果“并行操作”也可以无意识般的使用，那么程序设计，会出现许多“可能性”。

2.2倾向并行操作

在2.1章理解了"顺序操作"和“并行操作”的区别之后，这一章我们要讨论并且习惯“并行操作”的思考。

上图是一个组合模块，里边包含了两个功能模块。一是对闪耀灯控制的功能模块，二是对流水灯控制的功能模块。假设我要利用“顺序操作”实现如图的功能模块。实际上是怎样的一个效果呢？

我们以“C语言”作为“顺序操作”的代表，来分析一下过程。.

While(1)//大循环

{

Flash_Funct();//闪耀功能模块

Run_Funct();//流水灯功能模块

}

如果按照上面的代码，程序一开始就会先执行闪耀功能模块（Flash_Funct()），然后再执行流水灯功能模块（Run_Funct()）。但是在现实中，由于控制器的扫描速度很快快，使得人类的肉眼看到错觉“两个模块并行执行着”。事实上，无论控制器的扫描速度怎么快，也是会存在着“上一步延迟”。

亦即Run_Funct()要执行前，必须等待Flash_Funct()执行完毕，Flash_Funct()要重复执行，必须等待Run_Funct()执行完毕。除此之外，在“理解上”，人类的思维也非常习惯化的以“顺序”的方式去理解上面的代码。

1.执行Flash_Funct();

2.执行Run_Funct();

3.重复步骤1.

如此一来我们明白了一个道理，“顺序操作”不能满足上图组合模块的功能要求。