Verilog的程序框架案例

Verilog HDL（Hardware Description Language）是在用途最廣泛的C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語言，具有靈活性高、易學(xué)易用等特點(diǎn)。Verilog HDL可以在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)和掌握，目前已經(jīng)在FPGA開發(fā)/IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

簡單的編程案例

為快速入門Verilog語言，先從簡單的編程案例開始。以LED流水燈程序?yàn)槔齺斫o大家展示Verilog的程序框架，代碼如下所示。

module led(

input sys_clk , //系統(tǒng)時(shí)鐘

input sys_rst_n, //系統(tǒng)復(fù)位，低電平有效

output reg [3:0] led //4位LED燈

);

//parameter define

parameter WIDTH = 25 ;

parameter COUNT_MAX = 25_000_000; //板載50M時(shí)鐘=20ns，0.5s/20ns=25000000，需要25bit

//位寬

//reg define

reg [WIDTH-1:0] counter ;

reg [1:0] led_ctrl_cnt;

//wire define

wire counter_en ;

//***********************************************************************************

//** main code

//***********************************************************************************

//計(jì)數(shù)到最大值時(shí)產(chǎn)生高電平使能信號(hào)

assign counter_en = (counter == (COUNT_MAX - 1'b1)) ? 1'b1 : 1'b0;?

//用于產(chǎn)生0.5秒使能信號(hào)的計(jì)數(shù)器

always @(posedge sys_clk)?

begin

if (sys_rst_n == 1'b0)

counter <= 1'b0;

else if (counter_en)

counter <= 1'b0;

else

counter <= counter + 1'b1;

end

//led流水控制計(jì)數(shù)器

always @(posedge sys_clk)?

begin

if (sys_rst_n == 1'b0)

led_ctrl_cnt <= 2'b0;

else if (counter_en)

led_ctrl_cnt <= led_ctrl_cnt + 2'b1;

end

//通過控制IO口的高低電平實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮滅

always @(posedge sys_clk)?

begin

if (sys_rst_n == 1'b0)

led <= 4'b0;

else begin

case (led_ctrl_cnt)?

2'd0 : led <= 4'b0001;

2'd1 : led <= 4'b0010;

2'd2 : led <= 4'b0100;

2'd3 : led <= 4'b1000;

default : led <= 4'b1111;

endcase

end

endmodule?

需要注意的幾個(gè)點(diǎn)：

注釋：兩種方式，一種是以“/*”符號(hào)開始，“*/”結(jié)束，在兩個(gè)符號(hào)之間的語句都是注釋語句，因此可擴(kuò)展到多行。另一種是以//開頭的語句，它表示以//開始到本行結(jié)束都屬于注釋語句。

模塊定義：以module開始，endmodule結(jié)束；

端口定義：input ?output

數(shù)據(jù)類型的定義：reg 、wire、parameter

assign語句：條件成立選擇1，否則選擇0

always語句：語句中的posedge代表在時(shí)鐘上升沿進(jìn)行信號(hào)觸發(fā)。begin/end代表語句的開始和結(jié)束。

If-else語句：和C語言是比較類似的。

Case語句：需要一個(gè)case關(guān)鍵字開始，endcase關(guān)鍵字結(jié)束，default作為默認(rèn)分支，和C語言也是類似的。

問號(hào)語句：與if-else類似。

Verilog的常用語法

Verilog的數(shù)字進(jìn)制格式?

Verilog數(shù)字進(jìn)制格式包括二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制，一般常用的為二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。

二進(jìn)制表示如下：4’b0101表示4位二進(jìn)制數(shù)字0101；

十進(jìn)制表示如下：4’d2表示4位十進(jìn)制數(shù)字2（二進(jìn)制0010）；

十六進(jìn)制表示如下：4’ha表示4位十六進(jìn)制數(shù)字a（二進(jìn)制1010），十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)方式為0，1，2，…，9，a，b，c，d，e，f，最大計(jì)數(shù)為f（f：十進(jìn)制表示為15）。

當(dāng)代碼中沒有指定數(shù)字的位寬與進(jìn)制時(shí)，默認(rèn)為32位的十進(jìn)制，比如100，實(shí)際上表示的值為32’d100

Verilog的數(shù)據(jù)類型?

在Verilog語法中，主要有三大類數(shù)據(jù)類型，即寄存器類型、線網(wǎng)類型和參數(shù)類型。從名稱中，我們可以看出，真正在數(shù)字電路中起作用的數(shù)據(jù)類型應(yīng)該是寄存器類型和線網(wǎng)類型。

寄存器類型

寄存器類型表示一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，它只能在always語句和initial語句中被賦值，并且它的值從一個(gè)賦值到另一個(gè)賦值過程中被保存下來。如果該過程語句描述的是時(shí)序邏輯，即always語句帶有時(shí)鐘信號(hào)，則該寄存器變量對(duì)應(yīng)為寄存器；如果該過程語句描述的是組合邏輯，即always語句不帶有時(shí)鐘信號(hào)，則該寄存器變量對(duì)應(yīng)為硬件連線；

寄存器類型的缺省值是x（未知狀態(tài)）。

寄存器數(shù)據(jù)類型有很多種，如reg、integer、real等，其中最常用的就是reg類型，它的使用方法如下：

? ? ? ? ? ? //reg define

? ? ? ? ? ? reg [31:0] delay_cnt;? ?//延時(shí)計(jì)數(shù)器

? ? ? ? ? ? reg key_flag ;? ? ? ? ?//按鍵標(biāo)志

線網(wǎng)類型

線網(wǎng)表示Verilog結(jié)構(gòu)化元件間的物理連線。它的值由驅(qū)動(dòng)元件的值決定，例如連續(xù)賦值或門的輸出。如果沒有驅(qū)動(dòng)元件連接到線網(wǎng)，線網(wǎng)的缺省值為z（高阻態(tài)）。線網(wǎng)類型同寄存器類型一樣也是有很多種，如tri和wire等，其中最常用的就是wire類型，它的使用方法如下：

? ? ? ? //wire define

? ? ? ? wire data_en;? ? ? ?//數(shù)據(jù)使能信號(hào)

? ? ? ? wire [7:0] data ;? ?//數(shù)據(jù)

參數(shù)類型

參數(shù)類型其實(shí)就是一個(gè)常量，常被用于定義狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)位寬和延遲大小等，由于它可以在編譯時(shí)修改參數(shù)的值，因此它又常被用于一些參數(shù)可調(diào)的模塊中，使用戶在實(shí)例化模塊時(shí)，可以根據(jù)需要配置參數(shù)。在定義參數(shù)時(shí)，我們可以一次定義多個(gè)參數(shù)，參數(shù)與參數(shù)之間需要用逗號(hào)隔開。這里我們需要注意的是參數(shù)的定義是局部的，只在當(dāng)前模塊中有效。它的使用方法如下：

? ? ? ? ? ? //parameter define

? ? ? ? ? ? parameter DATA_WIDTH = 8; //數(shù)據(jù)位寬為8位

Verilog的運(yùn)算符

大家看完了Verilog的數(shù)據(jù)類型，我們?cè)賮斫榻B下Verilog的運(yùn)算符。Verilog中的運(yùn)算符按照功能可以分為下述類型：1、算術(shù)運(yùn)算符、 2、關(guān)系運(yùn)算符、3、邏輯運(yùn)算符、 4、條件運(yùn)算符、 5、位運(yùn)算符、 6、移位運(yùn)算符、 7、拼接運(yùn)算符。下面我們分別對(duì)這些運(yùn)算符進(jìn)行介紹。

算術(shù)運(yùn)算符

算術(shù)運(yùn)算符，簡單來說，就是數(shù)學(xué)運(yùn)算里面的加減乘除，數(shù)字邏輯處理有時(shí)候也需要進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，所以需要算術(shù)運(yùn)算符。常用的算術(shù)運(yùn)算符主要包括加減乘除和模除（模除運(yùn)算也叫取余運(yùn)算）如表所示：

需要注意的是，Verilog實(shí)現(xiàn)除法與模除比較浪費(fèi)組合邏輯資源，尤其是除法。一般2的指數(shù)次冪的乘除法使用移位運(yùn)算來完成運(yùn)算，詳情可以看移位運(yùn)算符章節(jié)。非2的指數(shù)次冪的乘除法一般是調(diào)用現(xiàn)成的IP，QUARTUS/ISE等工具軟件會(huì)有提供，不過這些工具軟件提供的IP也是由最底層的組合邏輯(與或非門等)搭建而成的。

關(guān)系運(yùn)算符

關(guān)系運(yùn)算符主要是用來做一些條件判斷用的，在進(jìn)行關(guān)系運(yùn)算符時(shí)，如果聲明的關(guān)系是假的，則返回值是0，如果聲明的關(guān)系是真的，則返回值是1；所有的關(guān)系運(yùn)算符有著相同的優(yōu)先級(jí)別，關(guān)系運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)別低于算術(shù)運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)別如表所示。

邏輯運(yùn)算符

邏輯運(yùn)算符是連接多個(gè)關(guān)系表達(dá)式用的，可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的判斷，一般不單獨(dú)使用，都需要配合具體語句來實(shí)現(xiàn)完整的意思。

條件運(yùn)算符

條件操作符一般來構(gòu)建從兩個(gè)輸入中選擇一個(gè)作為輸出的條件選擇結(jié)構(gòu)，功能等同于always中的if-else語句。

如果a為真，則表達(dá)式的值為b，反之為c

位運(yùn)算符

位運(yùn)算符是一類最基本的運(yùn)算符，可以認(rèn)為它們直接對(duì)應(yīng)數(shù)字邏輯中的與、或、非門等邏輯門。位運(yùn)算符的與、或、非與邏輯運(yùn)算符邏輯與、邏輯或、邏輯非使用時(shí)候容易混淆，邏輯運(yùn)算符一般用在條件判斷上，位運(yùn)算符一般用在信號(hào)賦值上。

移位運(yùn)算符

移位運(yùn)算符包括左移位運(yùn)算符和右移位運(yùn)算符，這兩種移位運(yùn)算符都用0來填補(bǔ)移出的空位。

假設(shè)a有8bit數(shù)據(jù)位寬，那么a<<2，表示a左移2bit，a還是8bit數(shù)據(jù)位寬，a的最高2bit數(shù)據(jù)被移位丟棄了，最低2bit數(shù)據(jù)固定補(bǔ)0。如果a是3（二進(jìn)制：00000011），那么3左移2bit，3<<2，就是12（二進(jìn)制：00001100）。一般使用左移位運(yùn)算代替乘法，右移位運(yùn)算代替除法，但是這種也只能表示2的指數(shù)次冪的乘除法。

拼接運(yùn)算符

Verilog中有一個(gè)特殊的運(yùn)算符是C語言中沒有的，就是位拼接運(yùn)算符。用這個(gè)運(yùn)算符可以把兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)的某些位拼接起來進(jìn)行運(yùn)算操作。

將a與b拼接起來，作為一個(gè)新的信號(hào)

運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)

介紹完了這么多運(yùn)算符，大家可能會(huì)想到究竟哪個(gè)運(yùn)算符高，哪個(gè)運(yùn)算符低。為了便于大家查看這些運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)，我們將它們制作成了表格。

具體還可以參考這個(gè)表格，是我在培訓(xùn)中完善的表格，不過實(shí)際應(yīng)用中，為避免優(yōu)先級(jí)錯(cuò)誤，可多加括號(hào)：

Verilog的常用關(guān)鍵字

關(guān)鍵字

注意只有小寫的關(guān)鍵字才是保留字。例如，標(biāo)識(shí)符always(這是個(gè)關(guān)鍵詞)與標(biāo)識(shí)符ALWAYS(非關(guān)鍵詞)是不同的。?

Verilog的高級(jí)知識(shí)點(diǎn)

阻塞賦值和非阻塞賦值

在Verilog中有兩種類型的賦值語句：阻塞賦值語句（“=”）和非阻塞賦值語句（“<=”）。正確地使用這兩種賦值語句對(duì)于Verilog的設(shè)計(jì)和仿真非常重要。

Verilog語言中講的阻塞賦值與非阻塞賦值，但從字面意思來看，阻塞就是執(zhí)行的時(shí)候在某個(gè)地方卡住了，等這個(gè)操作執(zhí)行完在繼續(xù)執(zhí)行下面的語句，而非阻塞就是不管執(zhí)行完沒有，我不管執(zhí)行的結(jié)果是什么，反正我繼續(xù)下面的事情。而Verilog中的阻塞賦值與非阻塞賦值正好也是這個(gè)意思，通過執(zhí)行一個(gè)例子，就可以簡單地明白了：

1、阻塞賦值可以理解為語句的順序執(zhí)行，因此語句的執(zhí)行順序很重要；

2、非阻塞賦值可以理解為語句的并行執(zhí)行，所以語句的執(zhí)行不考慮順序；

3、在assign的結(jié)構(gòu)中，必須使用的是阻塞賦值。

也就是說：

? ? ? 阻塞：在本語句中“右式計(jì)算”和“左式更新”完全完成之后，才開始執(zhí)行下一條語句；

? ? ? 非阻塞：當(dāng)前語句的執(zhí)行不會(huì)阻塞下一語句的執(zhí)行。

阻塞語句的時(shí)序：（串行）

非阻塞語句的時(shí)序（并行）

阻塞語句的使用

（1）在時(shí)序邏輯電路中一般使用非阻塞賦值。

? ? ?非阻塞賦值在塊結(jié)束后才完成賦值操作，此賦值方式可以避免在仿真出現(xiàn)冒險(xiǎn)和競爭現(xiàn)象。

（2）在組合邏輯電路中一般使用阻塞賦值。

? ? ?使用阻塞方式對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行賦值時(shí)，此變量的值在在賦值語句執(zhí)行完后就立即改變。

（3）在assign語句中必須使用阻塞賦值語句。

assign和always區(qū)別?

assign語句和always語句是Verilog中的兩個(gè)基本語句，這兩個(gè)都是經(jīng)常使用的語句。

assign語句使用時(shí)不能帶時(shí)鐘。always語句可以帶時(shí)鐘，也可以不帶時(shí)鐘。在always不帶時(shí)鐘時(shí)，邏輯功能和assign完全一致，都是只產(chǎn)生組合邏輯。比較簡單的組合邏輯推薦使用assign語句，比較復(fù)雜的組合邏輯推薦使用always語句。示例如下：

什么是latch？

latch是指鎖存器，是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路。鎖存器和寄存器都是基本存儲(chǔ)單元。

鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)器，是組合邏輯產(chǎn)生的。

寄存器是邊沿觸發(fā)的存儲(chǔ)器，是在時(shí)序電路中使用，由時(shí)鐘觸發(fā)產(chǎn)生的。

latch的主要危害的是會(huì)產(chǎn)生毛刺（glitch），這種毛刺對(duì)下一級(jí)電路是很危險(xiǎn)的。并且其隱蔽性很強(qiáng)，不易查出。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免latch的使用。

出現(xiàn)latch的原因：代碼里面出現(xiàn)latch的兩個(gè)原因是在組合邏輯中，if或者case語句不完整的描述，比如if缺少else分支，case缺少default分支，導(dǎo)致代碼在綜合過程中出現(xiàn)了latch。

解決辦法就是if必須帶else分支，case必須帶default分支。

大家需要注意下，只有不帶時(shí)鐘的always語句if或者case語句不完整才會(huì)產(chǎn)生latch，帶時(shí)鐘的語句if或者case語句不完整描述不會(huì)產(chǎn)生latch。下面為缺少else分支的帶時(shí)鐘的always語句和不帶時(shí)鐘的always語句，通過實(shí)際產(chǎn)生的電路圖可以看到第二個(gè)是有一個(gè)latch的，第一個(gè)仍然是普通的帶有時(shí)鐘的寄存器。

狀態(tài)機(jī)

Verilog是硬件描述語言，硬件電路是并行執(zhí)行的，當(dāng)需要按照流程或者步驟來完成某個(gè)功能時(shí)，代碼中通常會(huì)使用很多個(gè)if嵌套語句來實(shí)現(xiàn)，這樣就增加了代碼的復(fù)雜度，以及降低了代碼的可讀性，這個(gè)時(shí)候就可以使用狀態(tài)機(jī)來編寫代碼。狀態(tài)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)控制器，它將一項(xiàng)功能的完成分解為若干步，每一步對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制的一個(gè)狀態(tài)，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的順序在各狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程就是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的過程。

狀態(tài)機(jī)，全稱是有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，縮寫為FSM），是一種在有限個(gè)狀態(tài)之間按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換的時(shí)序電路，可以認(rèn)為是組合邏輯和時(shí)序邏輯的一種組合。狀態(tài)機(jī)通過控制各個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)來控制流程，使得整個(gè)代碼看上去更加清晰易懂，在控制復(fù)雜流程的時(shí)候，狀態(tài)機(jī)優(yōu)勢明顯，因此基本上都會(huì)用到狀態(tài)機(jī)，如SDRAM控制器等。

根據(jù)狀態(tài)機(jī)的輸出是否與輸入條件相關(guān)，可將狀態(tài)機(jī)分為兩大類，即摩爾(Moore)型狀態(tài)機(jī)和米勒(Mealy)型狀態(tài)機(jī)。

? Mealy狀態(tài)機(jī)：組合邏輯的輸出不僅取決于當(dāng)前狀態(tài)，還取決于輸入狀態(tài)。

Moore狀態(tài)機(jī)：組合邏輯的輸出只取決于當(dāng)前狀態(tài)。

三段式狀態(tài)機(jī)

根據(jù)狀態(tài)機(jī)的實(shí)際寫法，狀態(tài)機(jī)還可以分為一段式、二段式和三段式狀態(tài)機(jī)。

一段式：整個(gè)狀態(tài)機(jī)寫到一個(gè)always模塊里面，在該模塊中既描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，又描述狀態(tài)的輸入和輸出。不推薦采用這種狀態(tài)機(jī)，因?yàn)閺拇a風(fēng)格方面來講，一般都會(huì)要求把組合邏輯和時(shí)序邏輯分開；從代碼維護(hù)和升級(jí)來說，組合邏輯和時(shí)序邏輯混合在一起不利于代碼維護(hù)和修改，也不利于約束。

二段式：用兩個(gè)always模塊來描述狀態(tài)機(jī)，其中一個(gè)always模塊采用同步時(shí)序描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移；另一個(gè)模塊采用組合邏輯判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律以及輸出。不同于一段式狀態(tài)機(jī)的是，它需要定義兩個(gè)狀態(tài)，現(xiàn)態(tài)和次態(tài)，然后通過現(xiàn)態(tài)和次態(tài)的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯。

三段式：在兩個(gè)always模塊描述方法基礎(chǔ)上，使用三個(gè)always模塊，一個(gè)always模塊采用同步時(shí)序描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，一個(gè)always采用組合邏輯判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，另一個(gè)always模塊描述狀態(tài)輸出(可以用組合電路輸出，也可以時(shí)序電路輸出)

推薦使用三段式狀態(tài)機(jī)

實(shí)際應(yīng)用中三段式狀態(tài)機(jī)使用最多，因?yàn)槿问綘顟B(tài)機(jī)將組合邏輯和時(shí)序分開，有利于綜合器分析優(yōu)化以及程序的維護(hù)；

并且三段式狀態(tài)機(jī)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移與狀態(tài)輸出分開，使代碼看上去更加清晰易懂，提高了代碼的可讀性，推薦大家使用三段式狀態(tài)機(jī)，本文也著重講解三段式。

三段式狀態(tài)機(jī)的基本格式是：

第一個(gè)always語句實(shí)現(xiàn)同步狀態(tài)跳轉(zhuǎn)；

第二個(gè)always語句采用組合邏輯判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件；

第三個(gè)always語句描述狀態(tài)輸出(可以用組合電路輸出，也可以時(shí)序電路輸出)。

在開始編寫狀態(tài)機(jī)代碼之前，一般先畫出狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖，這樣在編寫代碼時(shí)思路會(huì)比較清晰，下面以一個(gè)7分頻為例（對(duì)于分頻等較簡單的功能，可以不使用狀態(tài)機(jī)，這里只是演示狀態(tài)機(jī)編寫的方法），狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖如下圖所示。