Verilog HDL 快速入门
Verilog HDL是一种硬件描述语言(HDL:Hardware Description Language),它是以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言。 世界上最流行的两种硬件描述语言是Verilog HDL和VHDL。
注意,VerilogHDL是一种描述语言,它和常见的编程语言C有根本的不同。C语言,让计算机的CPU从上往下按顺序执行每一条指令,执行完程序就结束了。而VerilogHDL主要是描述了一个数字模块的结构,或者行为。有点像商业合同,合同里面也会描述产品的结构,产品的功能等等。合同的每一个条款,并不需要严格的先后顺序,只要把项目的方方面面都考虑全面,写下来就OK了。VerilogHDL就是这样。
我们用VerilogHDL描述数字模块的功能,剩下的交给编译器(如,Quartus),编译器会根据我们的要求设计重构FPGA内部硬件。对于大批懒人来说,这技术简直碉堡了。这就是EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)。
好,下面就来认识一下VerilogHDL 我们先设计一个“数据选择器”: s是数据选择控制端, a,b是输入信号,y是输出信号
代码如下:
//模块名、模块接口列表
module mux2_1(a, b, s, y);
input a, b, s;// 定义输入端口
output y; // 定义输出端口
/* s为0时,选择a输出;
s为1时,选择b输出。*/
assign y = (s == 0) ? a : b;
endmodule
每个Verilog文件都至少包含一个module 开始,endmodule 结束的代码块。 这个代码块定义了一个叫 mux2_1 的模块,模块名后的括号内列出了该模块的接口信号,相当于数字器件的引脚。 但是括号内没有说明接口的信号方向,所以紧跟着另起一行用input 和output 再说明一下。注释和C语言一样,用// 或 /**/ 。
assign 是Verilog的关键词,书上称为连续赋值。我一般把它视为“连线”操作,assign后面的紧跟的 y 在硬件上被设计成导线wire(或输出引脚output)。
assign y = (s == 0) ? a : b; 这句表示:s如果为0,那么等号左边就是a,否则就是b。将这个表达式的输出结果接在输出引脚 y 上。 这就是一个简单的Verilog程序,不需要我们去设计与非门,直接表达你的你想要的功能就好了。编译下载到FPGA硬件,功能就实现了。
assign “导线” = “表达式”(也可以是数值、寄存器等能代表高低电平的量);
上面的2选1数据选择器,内部实现结构如下:
上面的assign语句还可以直接使用逻辑表达式: assign y = (a & (~ s)) | (b & s); 这个表明了门级结构连接关系( 数据流描述方式),近乎 结构描述。
很明显,这种结构描述比行为描述要费力得多,而且不太容易读懂程序功能。
来看看行为描述方法:
module mux2_1(a, b, s, y);
input a, b, s;
output y;
reg y; //reg 表示寄存器
always @(a, b, s)
begin
if(!s) y = a;
else y = b;
end
endmodule
这里reg表示寄存器(存储单元),需要提醒一下的是,assign后面不能接reg型,只能接wire型前面已经说过了。 为什么不能?因为寄存器的赋值除了需要输入信号,还需要一个触发信号(例如:D触发器),assign?sorry,he can’t。
always @(a, b, s)中,括号里面的输入信号a,b,s表示敏感信号;这句表示,敏感信号列表中的任何一个信号发生变化,将会引发 begin …… end 之间的行为。 Verilog用begin和end包围代码段,相当于c语言中大括号{ }的功能。
always @( ) 是一种固定用法,括号内填写行为触发条件。
if(!s) y = a; 这里的“=”,书上叫做“阻塞赋值”,和C语言里的赋值语句意思差不多,使用也差不多。 比如,有这么一段代码:
input clk;//时钟信号
reg a,b,c;
//触发动作:时钟上升沿
always@(posedge clk)
begin
b = a;
c = b;
end
那么时钟上升沿出现后,c的值就等于a,b的值也是a,这个行为在描述的时候,语句先后顺序,决定了赋值的先后,值是立即更新的。
Verilog还有一个“非阻塞赋值”,表示方法是 <=,我把这种赋值称为“并行赋值”,在always@ 代码块内书写时,没有先后顺序。一般用于设计时序逻辑电路,举个例子:
always@(posedge clk)
begin
b <= a;
c <= b;
end
含义:时钟上升沿出现前a,b的值,在上升沿结束后分别赋给b,c.
非阻塞赋值“<=”符号,
右侧所有变量,代表的是这些变量上升沿前的值,
左侧变量表示,上升沿后该变量将要更新为右侧表达式的值。
所以,这两句书写没有先后顺序,调换次序后表达的含义是一样的,新寄存器的值是在always块结束后同时更新的。调换次序后如下,仍然表示同样的含义:
always@(posedge clk)
begin
c <= b;
b <= a;
end
最后提一句:
阻塞和非阻塞赋值,都只能写在always@()代码块内。
assign后面的=是和assign一起连用的,并不是阻塞赋值。
更详细的分析,请参考另一篇文章:阻塞赋值和非阻塞赋值。
结语
本文使用多种方式描述了一个数据选择器,来介绍Verilog的基本书写结构。其间,涉及了一部分语法和关键词:
1、module …… endmodule
2、assign
3、always @( )
4、阻塞赋值 = 非阻塞赋值<=