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Verilog 语法入门

Verilog HDL 是一种硬件描述语言(HDL:Hardware Description Language),以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言,用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式,还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。Verilog HDL 和 VHDL 是世界上最流行的两种硬件描述语言,都是在 20 世纪 80 年代中期开发出来的。前者由 Gateway Design Automation 公司(该公司于 1989 年被 Cadence 公司收购)开发。两种 HDL 均为 IEEE 标准。

Verilog 可以从五个层次对电路(系统)进行描述,包括:系统级、算法级、寄存器传输级(即 RTL 级)、门级、开关级。我们平时用的最多的为 RTL 级,故 Verilog 代码也经常被称为 RTL 代码。

在笔者看来,掌握一门语言最快速的方法就是在实际应用中去学习,Verilog HDL 也不例外。下面我们就通过一系列实例来学习 Verilog HDL。

1.1 简单组合逻辑电路

对于逻辑表达式:

其电路图如下所示:

Verilog 代码如下:

语法说明

module / endmodule

表征模块的开始与结束。

example

模块名可由用户指定,可包含字母、数字及下划线,需以字母开头,区分大小写

assign

赋值操作关键字,该关键字后可跟一个赋值表达式,该关键字是实现组合逻辑操作的一种主要描述方式。

input / output

表征该信号的方向,除输入、输出外还有一种 inout(输入输出)型。

操作符

~按位取反、& 按位与、| 按位或。

常用操作符及其优先级:

建议大家在写代码时,在适当的地方加上括号,以增加可读性

综合后电路:

上图是综合工具生成的电路图,大家可以自行化简上述电路,看是否等价。

1.2 多 bit 逻辑门

对于下面 5 个逻辑表达式

y1 = a & b;
y2 = a | b;
y3 = a ^ b;
y4 = ~(a & b);
y5 = ~(a | b);

其电路图如下所示:

Verilog 代码为:

语法说明:

[3:0]

表征该信号的位宽,实例中是推荐写法,[0:3][4:1] 等写法也是合法的

///* */

代码注释,增加代码可读性,// 为单行注释,/* */ 为多行注释

1.3 八输入与门

对于逻辑表达式

y = a[7] & a[6] & a[5] & a[4] & a[3] & a[2] & a[1] & a[0];

其电路图为:

Verilog 代码:

语法说明:

a[7]

可将一个多位宽信号中的一位或多位以此种方式进行单独处理

&

按位与、归并与操作,如该操作符只有一个操作数时,则将该操作数的所有位进行相与操作,可以实现与注释部分相同的功能,但写法更简洁。

1.4 一位全加器

对于表达式

{cout, s} = a + b + cin;

其电路图为:

Verilog 代码

语法说明

wire

线网型数据类型,Verilog 语法中的一种主要数据类型,用于表示线网型信号,与实际电路中的信号连线相对应。wire 是 Verilog 中的默认数据类型,此例中的输入输出信号没有指定数据类型,则默认为 wire 型。除 wire 外,另外一种主要数据类型为 reg,表示寄存器类型数据。

内部信号

此例中的 pg 为内部信号,可以简化设计,增加代码可读性。

1.5 三态门

电路图

Verilog 代码

语法说明:

z

高阻态,Verilog 中,信号共有 4 种状态 01xz,分别表示低电平、高电平、不确定态和高阻态。对于没有进行初始化的信号,一般处于不确定态(x),高阻态表示该信号没有被其他信号驱动,经常用于有多个驱动源的总线型数据上。

4'bz

数据格式,表示该信号为 4 bit 位宽,用二进制方式表示,对于数据格式的进一步说明,可见下表

1.6 八位两路选择器

电路图:

Verilog 代码:

语法说明:

模块例化

可通过实例化已经设计好的模块来达到重用模块,简化设计的目的。可将一个模块重用多次,在同一模块中,实例化名称(本例中为 lsbmux、msbmux)可任意指定,但不能相同,也不能使用 Verilog 中的关键字。本例中列举了 Verilog 语法支持的两种实例化方式,推荐使用第二种方式,虽然代码量增加了一些,但增加了可读性,同时降低了出错的风险。

对于第一种模块例化方法,应严格保证实例化模块(lsbmux)中的参数排列顺序与被实例化模块(mux2)的参数排列顺序严格一致。

对于第二种方式点后面是被例化模块(mux2)的接口信号,括号内的是实例化模块(msbmux)的接口信号。

位拼接

可将一个或多个信号的指定位,拼接成一个新的信号,对于上述表达式,如果 y 是一 12 bit 的信号,则其各位的值为:

a[2] a[1] b[0] b[0] b[0] a[0] 1 0 0 0 1 0
下划线

数字中间的下划线是为了增加程序可读性,可直接将其忽略。

1.7 D 触发器

电路图:

Verilog 代码:

语法说明:

时序逻辑

电路具有记忆功能,电路状态不但与当前输入有关,还与前一时刻的状态有关。

同步逻辑

在同一的时钟信号激励下工作,输出只在时钟的上升沿(或者下降沿)发生变化。

reg

除 wire 类型外,另外一种常用的数据类型,一般表示寄存器类型数据,不过并不绝对,记住一条原则:在 always 块内被赋值的信号应定义成 reg 型,用 assign 语句赋值的信号应定义成 wire 型。

always

除 assign 外,另外一种实现赋值操作的关键字,两者都不可嵌套,区别在于,assign 语句只能实现组合逻辑赋值,且一个 assign 语句后面只能跟一条赋值表达式。而 always 即能实现组合逻辑赋值,又能实现时序逻辑赋值操作,且可以包含多条赋值表达式,多条赋值表达式,则应位于 begin/end 对中间。

posedge

Verilog 关键字,表示上升沿的意思。always @(posedge clk) 表示在 clk 信号的上升沿的时刻,执行 always 块内部的语句,与此相对应的,是表示下降沿的关键字 negedge。凡是带有 posedge 或 negedge 的 always 块,都会被综合成时序逻辑电路。

阻塞/非阻塞赋值

采用 <= 进行赋值的语句,称为“非阻塞赋值”,采用 = 进行赋值的语句,称为“阻塞赋值”。在 always 块中,阻塞式赋值方式语句执行有先后顺序,而非阻塞赋值语句则是同时执行。因此,在时序逻辑电路中,两种赋值方式可能或综合出不同的电路结构。如下所示

显然,第二种电路才是符合我们预期的设计,为避免出现一些稀奇古怪的电路,我们只需记住以下规则:

  1. 在组合逻辑电路中,使用阻塞式赋值方式 =

  2. 在时序逻辑电路中,使用非阻塞式赋值方式 <=

  3. 在同一个 always 块内,只能存在一种赋值方式。

  4. 一个信号,只能在一个 always 或一个 assign 语句下赋值。

  5. 原则上来说,一个 always 块内只处理一个或一类信号,不同的信号可在不同的 always 块内处理。

  6. always 块内只能对 reg 型信号进行处理,不能对 wire 型数据赋值,也不能实例化模块。

1.8 带同步复位的 D 触发器

Verilog 代码

语法说明:

同步复位

复位只能发生在在 clk 信号的上升沿,若 clk 信号出现问题,则无法进行复位。

if / else

always 块中常用的条件判断语句,可以嵌套,有优先级,一般来说,应将复位处理逻辑放在第一个 if 语句下,使其具有最高的优先级,该语句只能在 always 块内使用。另外一种比较常用的条件判断语句是 case。与 if/else 语句不同,case 语句不带优先级

1.9 异步复位电路

Verilog 代码

语法说明:

异步复位

在 always 的敏感变量列表中,包含了 posedge clk(clk 信号上升沿)和 posedge reset(reset 信号下降沿)两个条件,只要有一个条件发生,便会执行 always 块内的逻辑。复位处理逻辑应具有最高的优先级。

用 always 块实现组合逻辑

Verilog 代码

语法说明:

  • always 块内被赋值的信号应定义成 reg 类型,即使此信号在实际电路中是线型。
  • always 语句实现组合逻辑应采用阻塞赋值方式。

1.10 七段数码管

电路图

我们最常用的是七段式和八段式 LED 数码管,八段比七段多了一个小数点,其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小 LED 发光二极管,通过控制不同的 LED 的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型,其实共阴极就是将八个 LED 的阴极连在一起,让其接地,这样给任何一个 LED 的另一端高电平,它便能点亮。而共阳极就是将八个 LED 的阳极连在一起。其原理如下图

Verilog 代码

语法说明:

case

case 语句的各个条件之间没有优先级,且各条件应是互斥的。在组合逻辑电路中使用 case 语句最后应加上 default 语句,以防综合出锁存器电路。

1.11 有限状态机(FSM)

有限状态机(以下简称 FSM)在数字电路系统中具有举足轻重的低位,很多控制逻辑都是基于 FSM 来实现的。FSM 在设计实现上,可以分成一段式、两段式、三段式三种。由于三段式具有条理清晰、可读性强,因此多数采用此种设计方式,下面是其电路简图。

我们以设计具有 3 个状态的简单状态机为例来进行讲解。

Verilog 代码:

其中,第一个 always 为 FSM 的第一段;第二个 always 块为 FSM 的第二段;最后的 assign 语句为 FSM 的第三段。如有多个信号,可继续使用 assign 或 always 语句进行处理。

1.12 参数传递

在例化模块时,可以通过参数传递的方式改变被例化模块的部分参数

如要例化一 8 bit 位宽的选择器,则使用默认参数即可,不需进行参数传递

如要例化一 12 bit 位宽的选择器,则可使用如下方式,将参数传递过去

1.14 测试文件

要测试我们设计的模块功能是否正常,最直接的办法就是烧写到 FPGA 芯片中进行验证,但是这种方式往往结果并不直观,且出现问题后也不容易定位。为提高工作效率,我们可通过电脑仿真的方式进行功能验证,待仿真通过后,再烧写到 FPGA 中,这样可以快速排除电路中存在的绝大多数 bug。在电脑上进行仿真,除了我们设计的功能模块之外,还需要另一模块——testbench,用于产生被测模块所需的激励信号。由于 testbench 只是用于电脑端的仿真,而不需要最终综合成电路,因此其写法更加灵活,可以使用 verilog 语法中的一些不可综合的语句,如 initial#$display$readmembforever 等。

假设我们的被测模块完成以下功能

其 verilog 代码为:

1.14.1 简单测试文件

最简单的测试文件可以写成如下形式:

语法说明:

testbench 文件一般不包含任何输入输出信号

将被测模块实例化,被测模块的输入信号定义成 reg 类型,输出信号定义成 wire 类型。

initial

通过 initial 块构造输入信号的波形,同一 initial 块内部的语句是串行执行的,多个 initial 块之间并发执行。

1.14.2 自检测试文件

带自检功能的测试文件如下所示,可以对输出结果进行判断,并打印错误信息

模块的输入信号给定之后,就有有结果输出,将实际输出结果于预期结果做比较,如果不同,则打印出错误信息。

1.14.3 测试向量

通过测试向量进行仿真

将输入信号的各种组合以及对应的输出结果构成一测试向量,则每个向量中都包含了一种输入状态,以及该状态下的期望输出结果

将该向量导入一内存数组

构造一时钟信号

在时钟的上升沿,将一个向量赋值给被测模块输入端,并在时钟的下降沿对被测模块输出与期望输出结果进行对比,如果不相同,则记录下该向量,至此向量全部测试完毕。

向量测试文件(example.tv)包含 abc 以及 y_expected

000_1
001_0
010_0
011_0
100_1
101_1
110_0
111_0

测试文件

前面介绍了三种测试方法,三种方法各有其优缺点。

简单测试文件编写简单,容易上手,但需要人工判断仿真结果的正确性;

带自检的测试文件可以将错误信息打印出来,但编写稍微复杂一些,且激励波形仍需通过人工输入代码来完成;

测试向量法测试文件编写最为复杂,还需要编写一个用于跟被测模块结果进行比较的黄金模型,但此种方法测试最为充分,且后续维护起来也最容易。