概述

SystemVerilog Interface是modport的一種，但比簡單的輸入、輸出或輸入輸出端口的功能更多。在其最簡單的形式中，Interface端口將相關的信號捆綁在一起作為一個單一的復合端口。例如，構成AMBA AXI總線的所有單個信號都可以被歸納為一個Interface端口。一個Interface可以做的不僅僅是封裝總線信號。SystemVerilog Interface為設計者提供了一種集中總線功能的方法，而不是將功能分散在設計中的幾個模塊中。這就模擬了設計工程師在RTL層面的工作，并讓綜合工作在整個設計中適當地分配門級總線硬件。

當遵循特定的建模準則和限制時，Interface是可以綜合的。Interface也可以用在不可綜合級別的建模，并作為驗證測試平臺的一部分。先進的驗證方法，如UVM 、OVM和VMM，都使用Interface。

Interface端口的概念

對于可綜合的RTL建模，Interface的主要目的是將多信號總線的聲明和一些協議功能信號封裝在一個單獨的定義中。然后，這個Interface定義可以在任何的模塊中使用，而不必重復聲明總線信號。

一個Interface是在關鍵字interface和end interface之間定義的。一個可綜合的RTL Interface定義可以包含：

帶有數據類型和向量寬度的變量(Variable)和wire聲明。

modport定義，給出信號的方向。可以為將使用該Interface的不同模塊指定不同的定義。

用于仿真零延遲、零時鐘周期總線功能。

Interface也可以包含不可綜合的事務級功能和驗證代碼，包括初始程序、always程序、任務和斷言 。本文沒有討論Interface的這些不可綜合的方面。

本章的例子使用AMBAAHB總線的簡化版本，被稱為"simple AHB"，在主模塊和從模塊之間進行通信。這個簡化版本只使用了構成完整AMBA AHB總線的19個信號中的8個。簡單的AHB信號是：

表10-1：簡化的AMBA AHB信號

這種簡單的AHB總線在單個主機和單個從機模塊之間進行通信，因此不需要完整的AMBA AHB總線所需要的總線仲裁器和解碼器模塊。

傳統的Verilog總線連接

如果沒有Interface，構成通信總線的信號必須在每個使用總線的模塊中作為單獨的端口來聲明。這些端口的聲明必須在每個使用總線的模塊中重復進行，并在連接總線和其他模塊的網表模塊中作為wire再次重復進行。

圖10-1顯示了將主模塊和從模塊連接在一起的框圖，使用了簡化版的AMBA AHB總線的8個信號。圖中還顯示了四個與簡單的AHB總線無關的額外信號。使用某種形式的總線協議進行通信的模塊，除了構成總線的那些信號外，通常還有其他的輸入和輸出。

圖10-1：使用獨立interface連接主機和從機的方框圖

例10-1顯示了連接圖10-1中的主模塊和從模塊的代碼。請注意，構成簡單AHB總線的8個信號的聲明是重復的。同樣的信號必須在主模塊、從模塊、連接主模塊和從模塊以及主模塊和從模塊實例的連接中聲明。例10-1是用傳統的Verilog-2001風格和數據類型建模的。

例10-1：使用單獨的端口連接主模塊和從模塊

///////////////////////////////////////////////////////////
//MasterModulePortList--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
modulemaster(
//simplifiedAHBbussignals
inputwirehclk,//bustransferclk
inputwirehresetN,//busreset,activelow
outputreg[31:0]haddr,//transferstartaddress
outputreg[31:0]hwdata,//datasenttoslave
outputreghwrite,//returndatafromslave
outputreg[2:0]hsize,//transfersize
inputwire[31:0]hrdata,//1forwrite,0forread
inputwirehready,//1fortransferfinished
//othersignals
inputwirem_clk,//masterclock
inputwirerstN,//reset,activelow
inputwire[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
outputreg[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//mastermodulefunctionalitynotshown
endmodule:master
//`end_keywords


///////////////////////////////////////////////////////////
//SlaveModulePortList--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
moduleslave(
//simplifiedAHBbussignals
inputwirehclk,//bustransferclk
inputwirehresetN,//busreset,activelow
inputwire[31:0]haddr,//transferstartaddress
inputwire[31:0]hwdata,//datasenttoslave
inputwirehwrite,//returndatafromslave
inputwire[2:0]hsize,//transfersize
outputreg[31:0]hrdata,//1forwrite,0forread
outputreghready,//1fortransferfinished
//othersignals
inputwires_clk,//slaveclock
inputwirerstN,//reset,activelow
outputreg[7:0]thing1,//misc.signal;notpartofbus
inputwire[7:0]thing2//misc.signal;notpartofbus
);
//...//slavemodulefunctionalitynotshown
endmodule:slave
//`end_keywords


///////////////////////////////////////////////////////////
//Top-levelNetlistModule--Verilog-2001style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1364-2001"
modulechip_top;
//SimplifiedAHBbussignals
wirehclk;//bustransferclk
wirehresetN;//busreset,activelow
wire[31:0]haddr;//transferstartaddress
wire[31:0]hwdata;//datasenttoslave
wirehwrite;//returndatafromslave
wire[2:0]hsize;//transfersize
wire[31:0]hrdata;//1forwrite,0forread
wirehready;//1fortransferfinished
//Othersignals
wirem_clk;//masterclock
wires_clk;//slaveclock
wirechip_rstN;//reset,activelow
wire[7:0]thing1;//miscsignal;notpartofbus
wire[7:0]thing2;//miscsignal;notpartofbus

masterm(//simplifiedAHBbusconnections
.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN),
.haddr(haddr),
.hwdata(hwdata),
.hsize(hsize),
.hwrite(hwrite),
.hrdata(hrdata),
.hready(hready),
//0therconnections
.m_clk(m_clk),
.rstN(chip_rstN),
.thing1(thing1),
.thing2(thing2)
);

slaves(//simplifiedAHBbusconnections
.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN),
.haddr(haddr),
.hwdata(hwdata),
.hsize(hsize),
.hwrite(hwrite),
.hrdata(hrdata),
.hready(hready),
//0therconnections
.s_clk(s_clk),
.rstN(chip_rstN),
.thing1(thing1),
.thing2(thing2)
);

//...//remainingchip-levelcodenotshown

endmodule:chip_top
//`end_keywords

與主端口的連接必須再次復制簡化的AHB信號（SystemVerilog的點名或如果所有的名字都匹配，點星的快捷方式可以減少這種冗余。正是如此。

「離散的輸入和輸出modport的缺點」。為總線信號使用單獨的modport，描述設計中各塊之間的互連提供了一種簡單而直觀的方法。獨立的端口準確地模擬了構成總線物理實現的信號。然而，在大型復雜的設計中，使用單個modport有幾個缺點。其中一些缺點是:

聲明必須在多個模塊中重復進行。

通信協議，如握手順序，必須在七個模塊中重復使用。

在不同的模塊中存在著不匹配聲明的風險。

設計規范的改變可能需要在多個模塊中同步進行修改。

在前面的例子中，構成簡化AHB總線的信號必須在每個使用總線的模塊中聲明，以及在將主模塊和從模塊連接在一起的頂層網表中聲明。即使是上面列出的簡化AHB總線例子--它只使用了19個AHB總線信號中的8個，并且只有一個從屬模塊--名稱的重復也是很明顯的。每個AHB信號總共被命名了7次!

這種重復不僅需要輸入大量的代碼行，而且很有可能出現編碼錯誤。在一個地方輸入錯誤的名稱或不正確的矢量大小可能會導致設計中的功能錯誤，直到設計過程的后期，當模塊被連接在一起進行完整的驗證時才會被發現。

復制的端口聲明也意味著，如果在設計過程中（或在下一代設計中）總線的規格發生變化，每一個共享總線的模塊都必須被改變。用于連接使用該總線的模塊的網表也必須改變。這種大范圍的改變效果是與良好的編碼風格相違背的。好的編碼的一個目標是將代碼結構化，使一個地方的小變化不需要改變代碼的其他區域。使用離散的輸入和輸出端口的一個弱點是，一個模塊中的端口的改變通常需要其他文件的改變。

使用離散的輸入和輸出modport的另一個缺點是，通信協議必須在每個利用模塊之間相互連接的信號的模塊中重復進行。例如，如果有三個模塊從一個共享的存儲器設備上進行讀寫，那么讀寫控制邏輯必須在每個模塊中重復進行。

SystemVerilog Interface定義

SystemVerilog給Verilog增加了一個強大的新端口類型，稱為Interface端口。一個Interface允許一些信號被組合在一起，并被表示為一個單一的端口。構成Interface的信號的聲明被封裝在關鍵字interface和end interface之間。每個使用這些信號的模塊都有一個Interface類型的單一端口，而不是許多不相干的信號的端口。

圖10-2顯示了一個Interface如何將幾個單獨的端口組綜合成一個單一的端口，連接到一個Interface。

例10-3顯示了主模塊和從模塊的定義。主模塊上用于簡單AHB總線的8個獨立端口已經被單個Interface端口所取代。這個Interface端口沒有被聲明為輸入、輸出或inout，而是被聲明為simple_ahb，也就是例10-2中定義的Interface的名稱。當使用傳統的單獨的輸入和輸出端口時，Interface端口消除了主從模塊內多余的簡單AHB信號聲明，如例10-1中的情況。

例10-4顯示了連接主模塊和從模塊的高層網表。不再有24行的代碼來聲明8個獨立的總線信號和然后將這8個信號連接到例10-1中列出的主模塊和從模塊的端口。相反，simple_ahb Interface的實例化方式與模塊相同，實例名稱與主模塊和從模塊實例的Interface端口相連。

圖10-2：使用Interface端口連接主機和從機的方框圖

下面的三個例子顯示了使用Interface如何減少為上面所示的簡單AHB通信總線建模所需的代碼量。

例10-2顯示了一個Interface端口的定義，它將構成簡單AHB的信號封裝為一個Interface。

例10-2：簡單AMBA AHB總線的Interface定義

///////////////////////////////////////////////////////////
//SimpleAMBAAHBInterface--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
interfacesimple_ahb(
inputlogichclk,//bustransferclk
inputlogichresetN//busreset,activelow
);
logic[31:0]haddr;//transferstartaddress
logic[31:0]hwdata;//datasenttoslave
logic[31:0]hrdata;//returndatafromslave
logic[2:0]hsize;//transfersize
logichwrite;//1forwrite,0forread
logichready;//1fortransferfinished

//mastermoduleportdirections
modportmaster_ports(
outputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//toAHBslave
inputhrdata,hready,//fromAHBslave
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);

//slavemoduleportdirections
modportslave_ports(
outputhrdata,hready,//toAHBmaster
inputhaddr,hwdata,hsize,hwrite,//fromAHBmaster
inputhclk,hresetN//fromchiplevel
);
endinterface:simple_ahb
//`end_keywords

「Interface上的端口。」一個Interface就像一個模塊一樣可以有輸入、輸出和inout端口。例10-2中所示的簡單AHB Interface有兩個輸入端口，hc1k和hresetN,這些信號是在Interface之外產生的，通過兩個輸入端口傳入Interface。Interface上的端口的聲明與模塊上的端口相同。

一個Interface可以連接到另一個Interface。例如，一個設計的主總線可能有一個或多個子總線。主總線和它的子總線都可以被建模為Interface，而子總線的Interface可以被用作主總線Interface的端口。

上面的Interface定義包括兩個mod端口的定義，名字分別是master_ports和slave_ports。關鍵字modport是"模塊的端口"的縮寫，它定義了一個模塊是否將Interface中的信號視為模塊的輸入或模塊的輸出。Interface的一個好處是，總線協議中使用的信號的數據類型和矢量大小是一次性定義的。modport的定義只是從模塊的角度為Interface中定義的信號增加一個方向。

下面是一個主模塊和從模塊的例子，說明使用simple_ahb Interface作為每個模塊的端口。觀察一下這個單一的Interface端口是如何取代主模塊中顯示的8個離散的輸入和輸出端口，以及從屬模塊中的另外8個端口.

例10-3：帶有Interface端口的主模塊和從模塊

///////////////////////////////////////////////////////////
//MasterModulePortList--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
modulemaster
(simple_ahb.master_portsahb,//interfaceport&modport
//otherports
inputlogicm_clk,//masterclock
inputlogicrstN,//reset,activelow
inputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
outputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//mastermodulefunctionalitynotshown
endmodule:master
//`end_keywords

///////////////////////////////////////////////////////////
//SlaveModulePortList--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
moduleslave
(simple_ahb.slave_portsahb,//interfaceport&modport
//otherports
inputlogics_clk,//slaveclock
inputlogicrstN,//reset,activelow
outputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
inputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
);
//...//slavemodulefunctionalitynotshown
endmodule:slave

///////versionwithnomodportselection///////
//moduleslave
//(simple_ahbahb,//interfaceportwithoutmodport
////otherports
//inputlogics_clk,//slaveclock
//inputlogicrstN,//reset,activelow
//outputlogic[7:0]thing1,//miscsignal;notpartofbus
//inputlogic[7:0]thing2//miscsignal;notpartofbus
//);
//////...//slavemodulefunctionalitynotshown
//endmodule:slave
//`end_keywords

對于傳統的modport，頂層模塊必須為總線信號聲明單獨的網絡，然后為每個單獨的信號與每個模塊實例的端口做單獨的連接。

當一個帶有Interface端口的模塊被實例化時，一個Interface的實例被連接到Interface端口。

下面的代碼實例化了simple_ahb Interface并給它一個實例名ahbl。然后這個實例名被用于主模塊和從模塊實例的端口連接。

例10-4：連接主Interface和從Interface的網表

///////////////////////////////////////////////////////////
//Top-levelNetlistModule--SystemVerilog-2012style
///////////////////////////////////////////////////////////
//`begin_keywords"1800-2012"
modulechip_top;
logicm_clk;//masterclock
logics_clk;//slaveclock
logichclk;//AHBbusclock
logichresetN;//AHBbusreset,activelow
logicchip_rstN;//reset,activelow
logic[7:0]thing1;//miscsignal;notpartofbus
logic[7:0]thing2;//miscsignal;notpartofbus

//
//instantiatetheinterface
//(usingsamesyntaxasamoduleinstance)
simple_ahbahb1(.hclk(hclk),
.hresetN(hresetN)
);

//instantiatemasterandconnecttheinterfaceinstance
//totheinterfaceport
masterm(.ahb(ahb1),//connectinterfaceport
.rstN(chip_rstN),
.m_clk,//dot-nameconnectionshortcut
.thing1,//fortheotherports
.thing2
);

//instantiateslaveandconnecttheinterfaceinstance
//totheinterfaceport
slaves(.ahb(ahb1),//connectinterfaceport
.rstN(chip_rstN),
.*//wildcardconnectionshortcut
);//fortheotherports

//instantiateslaveandpickmodportintheconnection
//slaves(.ahb(ahb1.slave_ports),//selectslavemodport
//.rstN(chip_rstN),
//.*//wildcardconnectionshortcut
//);

//...//remainingchip-levelcodenotshown

endmodule:chip_top
//`end_keywords

在上面的例子中，構成簡單AHB總線協議的所有信號都被封裝在simple_ahbInterface中。主模塊、從模塊和頂層模塊并不重復聲明這些總線信號。相反，主模塊和從模塊只是使用該Interface作為模塊之間的連接。該Interface消除了獨立modport的冗余聲明。

在一個Interface內引用信號

Interface端口是一個復合端口，端口內部有信號。在一個有Interface端口的模式中，通過使用端口名稱來訪問Interface內部的信號，使用的語法如下。

.。

上面的simple_ahbInterface包含一個叫做hc1k 的信號，master有一個名為ahb的Interface端口 。主控模塊可以通過使用ahb.hclk訪問hclk。

always_ff@(posedgeahb.hclk)

由于Interface內的信號是通過在信號名稱前加上Interface端口名稱來訪問的，所以使用短名稱作為Interface端口名稱是很方便的。

模塊和Interface之間的區別

Interface和模塊之間有三個基本區別。首先，一個Interface不能包含設計層次。與模塊不同，Interface不能包含模塊或基元的實例，這將創造一個新的實現層次結構。第二，Interface可以作為modport使用，這就是允許Interface代表模塊之間的通信渠道。在端口列表中使用一個模塊是非法的。第三，一個Interface可以包含Interface，它允許連接到該Interface的每個模塊以不同的方式看到該Interface。

源代碼聲明順序

一個Interface的名字在兩種情況下被引用：作為一個模塊的端口，以及作為一個Interface的實例。Interface可以作為模塊的端口被實例化和使用，而不需要考慮文件順序的依賴性。就像模塊一樣，Interface的名稱可以在軟件工具讀入包含Interface定義的源代碼之前被引用。這意味著任何模塊都可以使用一個Interface作為模塊的端口，而不必擔心源代碼的編譯順序。

審核編輯：劉清