การใช้งาน Verilog Parameter: พื้นฐานจนถึงเทคนิคขั้นสูงสำหรับการออกแบบวงจรดิจิทัล

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

※記事内に広告を含みます。Amazonアソシエイトとして適格販売により収入を得ています。

1. บทนำ

อะไรคือ parameter ใน Verilog?

ทำไม parameter ถึงมีความสำคัญ?

• เพิ่มการนำกลับมาใช้ซ้ำ โมดูลที่สร้างไว้ครั้งเดียวสามารถนำไปใช้ซ้ำได้หลายรูปแบบ ทำให้การพัฒนาโครงการขนาดใหญ่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• เพิ่มความสะดวกในการดูแลรักษา ค่าคงที่ถูกจัดการจากจุดเดียว เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงก็เพียงแก้ไข parameter ที่เกี่ยวข้อง
• เพิ่มความชัดเจนในการอ่านโค้ด การหลีกเลี่ยงการใช้ “Magic number” ช่วยให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าแต่ละค่าหมายถึงอะไร ทำให้นักพัฒนาคนอื่นอ่านโค้ดได้สะดวก

สิ่งที่จะได้จากบทความนี้

• ผู้เริ่มต้นที่กำลังเรียนรู้ Verilog
• ผู้ที่ต้องการออกแบบโมดูลที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น
• นักออกแบบที่ต้องการเพิ่มความสามารถในการดูแลและความชัดเจนของโค้ด

2. โครงสร้างพื้นฐานของ parameter

วิธีประกาศ parameter

parameter ชื่อพารามิเตอร์ = ค่า;

parameter DATA_WIDTH = 8;

การกำหนด parameter หลายค่าในครั้งเดียว

parameter WIDTH = 8, DEPTH = 256;

parameter WIDTH = 8;
parameter DEPTH = 256;

วิธีระบุความกว้างบิต

parameter [7:0] INIT_VALUE = 8'hFF;

ขอบเขต (Scope) และการกำหนดซ้ำของ parameter

3. การทำให้โมดูลมีความยืดหยุ่นด้วย parameter

เพิ่มความยืดหยุ่นของโมดูลด้วย parameter

ตัวอย่าง: โมดูลตัวบวกที่กำหนดค่าพารามิเตอร์ได้

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

วิธีเขียนทับพารามิเตอร์จากโมดูลระดับบน

1. การใช้โครงสร้าง #()

adder #(.WIDTH(16)) adder_inst (
    .a(a_input),
    .b(b_input),
    .sum(sum_output)
);

2. การใช้ defparam (ไม่แนะนำ)

defparam adder_inst.WIDTH = 16;

การเขียนทับหลายพารามิเตอร์ในโมดูล

module fifo #(parameter DATA_WIDTH = 8, DEPTH = 64)(/* ports */);

// การสร้างอินสแตนซ์จากโมดูลระดับบน
fifo #(
    .DATA_WIDTH(16),
    .DEPTH(128)
) fifo_inst (
    /* การเชื่อมต่อ */
);

4. ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ parameter

การเปลี่ยนแปลงความกว้างบิตและขนาดบัส

module register #(parameter WIDTH = 8)(
    input  wire clk,
    input  wire [WIDTH-1:0] d,
    output reg  [WIDTH-1:0] q
);
    always @(posedge clk)
        q <= d;
endmodule

การจัดการค่ากลางอย่างเป็นระบบเพื่อเพิ่มความอ่านง่ายและดูแลรักษา

parameter CLK_DIV = 100;

always @(posedge clk)
    if (counter == CLK_DIV)
        clk_out <= ~clk_out;

การใช้ร่วมกับ generate เพื่อควบคุมโครงสร้างซ้ำ

module shift_reg #(parameter STAGES = 4)(
    input wire clk,
    input wire in,
    output wire out
);
    reg [STAGES-1:0] shift;

    always @(posedge clk)
        shift <= {shift[STAGES-2:0], in};

    assign out = shift[STAGES-1];
endmodule

การใช้งานใน Testbench

module testbench;
    parameter DATA_WIDTH = 16;

    reg [DATA_WIDTH-1:0] a, b;
    wire [DATA_WIDTH-1:0] result;

    adder #(.WIDTH(DATA_WIDTH)) dut (
        .a(a),
        .b(b),
        .sum(result)
    );

    // กระบวนการทดสอบ...
endmodule

5. ข้อควรระวังในการใช้ parameter

อย่าละเลยการกำหนดความกว้างบิตอย่างชัดเจน

parameter [7:0] INIT_VAL = 8'hFF;  // กำหนดให้เป็นค่า 8 บิตโดยตรง

ความแตกต่างระหว่าง parameter และ localparam

module example #(parameter WIDTH = 8) ();
    localparam HALF_WIDTH = WIDTH / 2;
endmodule

การกำหนดซ้ำและปัญหาจากลำดับชั้นของ parameter

• ตั้งชื่อให้ชัดเจน (เช่น FIFO_DEPTH, ALU_WIDTH)
• เขียนโค้ดโดยคำนึงถึงขอบเขต (scope) ของแต่ละโมดูล

ข้อจำกัดจากเครื่องมือสังเคราะห์

• การคำนวณกับ parameter ที่มีความกว้างบิตอาจแสดงผลต่างกันระหว่างเครื่องมือ
• ความแตกต่างระหว่างค่ามีเครื่องหมาย/ไม่มีเครื่องหมาย
• บางเครื่องมือไม่สนับสนุน defparam หรือถือว่าเป็นโครงสร้างที่เลิกใช้แล้ว

6. FAQ: คำถามที่พบบ่อยและคำตอบ

Q1. ความแตกต่างระหว่าง parameter และ localparam คืออะไร?

• parameter: มีความยืดหยุ่น แต่ต้องระวังการถูกเขียนทับโดยไม่ตั้งใจ
• localparam: เหมาะสำหรับค่าภายในที่ไม่ควรถูกเปลี่ยน เช่น ค่าคงที่ช่วยในการคำนวณ

• ต้องการให้โมดูลนำกลับมาใช้ซ้ำได้หลายแบบ → ใช้ parameter
• ต้องการค่าคงที่ภายในที่ไม่เปลี่ยนแปลง → ใช้ localparam

Q2. ถ้าไม่กำหนดความกว้างบิตของ parameter จะเกิดอะไรขึ้น?

parameter WIDTH = 8;  // จริง ๆ แล้วเป็นค่า 32 บิต

parameter [7:0] WIDTH = 8;

Q3. parameter ต้องเป็นค่าคงที่เสมอหรือไม่?

input [7:0] a;
parameter WIDTH = a; // ผิด

parameter WIDTH = 8;

Q4. ถ้าเปลี่ยนค่าของ parameter จะส่งผลต่อ FPGA อย่างไร?

Q5. สามารถใช้การคำนวณหรือการดำเนินการลอจิกกับ parameter ได้หรือไม่?

parameter WIDTH = 8;
parameter HALF_WIDTH = WIDTH / 2;

7. บทสรุป

สรุปเนื้อหาบทความ

• parameter ใช้กำหนดค่าคงที่ภายในโมดูล ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและความสะดวกในการดูแลรักษา
• สามารถเขียนทับจากโมดูลภายนอกได้ด้วยโครงสร้าง #() ทำให้เปลี่ยนค่าพารามิเตอร์แบบไดนามิก ได้
• เมื่อนำมาใช้ร่วมกับ generate จะช่วยให้ควบคุมโครงสร้างซ้ำและการเลือกเงื่อนไข ได้อย่างยืดหยุ่น
• ในการใช้งาน ต้องกำหนดความกว้างบิตอย่างชัดเจน และเข้าใจความแตกต่างระหว่าง parameter กับ localparam รวมถึงข้อจำกัดของเครื่องมือสังเคราะห์
• FAQ ได้ครอบคลุมข้อสงสัยที่พบบ่อยและหลุมพรางในการออกแบบ

ข้อคิดส่งท้าย