從可綜合的RTL代碼的角度聊聊interface

SystemVerilog引入了interface，這里我們從可綜合的RTL代碼的角度聊聊interface。

什么是interface?

Interface是將一系列信號封裝為一個模塊，這里的“一系列信號”通常是彼此相關(guān)的，比如AXI接口協(xié)議之一的AXI4-Stream的TLAST/TVALID/TREADY/TDATA，這個“模塊”稱為接口模塊。接口模塊可以被實例化作為其他module的端口，從而簡化了module之間以及module與TB（testbench）之間的連線操作。

使用interface的好處

使用interface的好處也是顯而易見的。我們來看個例子。如下圖所示，待測模塊和測試平臺之間的連線包含5個信號，采用此方法就要在DUT module內(nèi)定義5個端口，在TB內(nèi)定義對應(yīng)的5個信號。

如果采用interface就會形成下圖所示的連接方式。這樣無論是DUT還是TB只需要在自身模塊內(nèi)實例化這個interface即可。

可見，使用interface會帶來這樣幾個好處：

（1）module之間的連線由輸入/輸出列表替換為interface，不易出錯

（2）如果需要更新module的輸入/輸出端口，只用在interface里進行一次更新，而不必在相關(guān)module的端口處進行多次更新

其他好處跟UVM相關(guān)，這里先不做闡述。

接口的定義

我們從可綜合RTL代碼的角度看個例子，如下圖所示的兩個模塊，一個是控制模塊，一個是存儲模塊，控制模塊生成相應(yīng)的控制信號給存儲模塊。

我們使用interface定義這組信號，如下圖所示代碼。從這段代碼可以看到，接口模塊以interface作為關(guān)鍵字開始，以endinterface結(jié)束（像不像module，endmodule）。Interface可以參數(shù)化，如代碼的4行所示，可以有輸入/輸出或雙向端口如代碼第7行所示。代碼第10行和第11行定義了寫方向的控制信號，第13行和14行定義了讀方向的控制信號。第16行modport（端口模塊）用來定義信號方向。對存儲模塊而言，這些信號都是輸入信號，對控制模塊而言，除時鐘外其他信號均為輸出信號。

因為只是定義信號的方向，所以只用列出信號名稱而無需指定信號的位寬。同時，同方向的信號可列在同一行，如代碼第17行所示。如果信號方向聲明的結(jié)尾也是modport的結(jié)尾，那么該結(jié)尾沒有任何額外標(biāo)點符號，如代碼第22行的結(jié)尾，如果信號方向聲明的結(jié)尾不是modeport的結(jié)尾，那么結(jié)尾就用逗號，如代碼第21行。注意代碼第10行至第14行定義的信號類型為logic，相比于Verilog里的reg，logic更靈活，不僅可以用在always進程中，也能用于assign賦值語句中（Verilog需要用wire）。

在存儲模塊中，可直接在端口列表內(nèi)實例化該接口模塊，如下圖所示代碼片段第9行，實例化方式和模塊的實例化方式一樣，需要注意的是這里不能指定interface內(nèi)的parameter，其余輸入/輸出端口不在接口模塊內(nèi)的可單獨聲明，如代碼第10行和第11行所示。

在模塊內(nèi)部使用interface內(nèi)聲明的接口，需要采用如下圖所示代碼片段的方式，如代碼第23行，通過i0_mem_ports.wen使用寫使能信號。因為代碼內(nèi)部可能會反復(fù)使用interface內(nèi)的信號，所以interface的名字盡量短一些。

同樣地，在控制模塊內(nèi)可直接實例化上述定義的interface，如下圖所示代碼片段。

在設(shè)計的頂層，需要依次實例化接口、存儲模塊和控制模塊。此時，就需要對接口的parameter進行設(shè)定，如下圖所示代碼片段的第15行所示。

傳統(tǒng)的輸入/輸出列表方式存在這樣幾個不足之處：

（1）需要在相關(guān)模塊中反復(fù)聲明輸入/輸出信號

（2）存在不同模塊端口不匹配的風(fēng)險

（3）設(shè)計規(guī)格的更改會導(dǎo)致需要在相關(guān)多個模塊中進行輸入/輸出信號的更新

這種重復(fù)性的更新不僅涉及到很多行代碼，還會存在信號名稱寫錯或者信號位寬寫錯的風(fēng)險。

注意：module端口聲明若采用input/output/inout這種形式，實例化時這些端口是可以懸空的，但如果采用interface，實例化的interface是不允許處于未連接的狀態(tài)。

Vivado對interface是支持的。將上述4個文件直接添加到Vivado中，如下圖所示。在Hierarchy窗口中，可以看到top下面只有控制模塊和存儲模塊，而沒有接口模塊，因為接口并不是一個module。在Libraries下則可以看到接口模塊。在Compile Order窗口下，可以看到工具會先編譯接口模塊，再編譯其他模塊。

Vivado下打開Elaborated Design，可以看到interface信息，如下圖中的高亮部分，工具以“接口名.信號名”的方式顯示net的名字。

綜上所示，SystemVerilog提供的interface支持參數(shù)化，支持信號分組（modport）,在可綜合的RTL代碼中，可使用interface簡化輸入/輸出列表的描述。

審核編輯：劉清