FPGA/verilog 学习笔记（3）—— verilog程序框架

一、注释

• verilog中有两种注释方式，同C语法

二、关键字

• 全部关键字[
  

• 常用关键字
  

三、 Verilog程序框架

1. 模块

（1）基础概念

1. Verilog程序的基本单元是 “模块（block）” （类似C的函数）

2. 一个模块由两部分组成

   • 接口描述

     • 端口定义

     • I/O说明

   • 逻辑功能描述

     • 内部信号声明

     • 功能定义

3. 可综合和不可综合

   • 可综合的模块：可以用综合工具生成实际电路结构的模块

   • 不可综合的模块：不能生成实际电路结构的模块，常用于testbench

（2）定义一个模块

• 示例代码

module block(a,b,c,d);	//端口定义
   	input a,c;			//I/O说明
   	output c,d;
   	
   	assign c = a | b;		//功能定义
   	assign d = a & b;
   
endmodule

1. 模块用 moudule 和 endmodule 包起来

2. moudle后接模块名

3. 模块名后是参数列表，每个参数是一个端口，别忘了;

4. I/O说明

   • input 指定端口为输入端口，默认是wire类型。写成input reg则为reg类型

   • ouput 指定端口为输出端口，默认是wire类型。写成output reg则为reg类型

   • I/O说明语句也可以和端口定义写在一起

     module block(
         input a,
         input b,
         output c,
         output d
     	);	
     

5. 这段程序对应的接口描述和逻辑功能

   • 接口描述
     

   • 逻辑功能
     

6. 模块基本结构
   

（3）功能定义的三种方法

• 示例代码

//端口定义 + I/O说明---------------------------------------------
module flow_led(
    input               sys_clk  ,  //系统时钟
    input               sys_rst_n,  //系统复位，低电平有效 
    output  reg  [3:0]  led         //4个LED灯，这是一个1位位宽reg的数组，数组长4
    );

//内部信号声明--------------------------------------------------
reg [23:0] counter;					//reg define，这是一个24位位宽reg类型变量
                                                                                                                                                                           //功能定义-----------------------------------------------------                 
//计数器对系统时钟计数，计时0.2秒
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        counter <= 24'd0;
    else if (counter < 24'd10)
        counter <= counter + 1'b1;
    else
        counter <= 24'd0;
end

//通过移位寄存器控制IO口的高低电平，从而改变LED的显示状态
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
        led <= 4'b0001;
    else if(counter == 24'd10) 
        led[3:0] <= {led[2:0],led[3]};
    else
        led <= led;
end

endmodule 

• 功能定义的三种方法（以下三种逻辑功能是并行的）
  • assign语句：描述组合逻辑
  • always语句：描述组合/时序逻辑
    • always块中，逻辑是顺序执行
    • always块之间，逻辑是并行的
  • 实例化元件：如and #2 u1(q,a,b); //and例化一个与门模块

（4）模块的调用

1. 模块调用类似C中函数调用，信号通过模块端口在模块之间传递

2. 示例

   • 被调模块（子模块）

     

   • 主调模块（主模块）

     

     • 这里最下面就是例化time_count模块

       • 在#后接的是：传入的parameter 类型数据
       • 在()中的是：传递的wire 和 reg 类型数据

     • 注意

       • 子模块的输入端口（input端口），连接的信号可以是**wire 或者 reg 类型**

       • 子模块的输出端口（output端口），连接的信号必须是wire 类型

       • 传递的信号位宽必须保持一致

   • 另外一种连接方式：直接把主模块的信号放到子模块参数列表中，这要求信号排列顺序一致

     

2. 结构语句

（1）initial语句

1. initial语句在模块中只在最开始执行一次

2. 常用于测试文件的编写，用来产生仿真测试信号（激励信号），或者用来对存储器变量赋值

3. 如果initial语句有多行，需要用begin 和 end 把它们括起来（类似C的大括号）

4. 示例

//给输入信号的初始值
initial begin					
    //这三条同时执行
	sys_clk			<= 	1'b0;	
	sys_rst_n		<= 	1'b0;
	touch_key		<= 	1'b0;
    
	//#是延时
    #20 sys_rst_n	<= 1'b1;	//过20ns，拉高sys_rst_n
	#10 touch_key	<= 1'b1;	//再过10ns，touch_key
	#30 touch_key	<= 1'b0;	//再过30ns....
	#110 touch_key	<= 1'b1;
end

（2）always语句

1. always语句一直在不断地重复活动

2. 只有和一定的时间控制结合在一起才有作用（比如下面那个#10）

3. 如果always语句有多行，需要用begin 和 end 把它们括起来（类似C的大括号）

4. 示例

//产生50Mhz时钟，周期20us
always #10 sys_clk <= ~sys_clk;	

5. 波形（最上面一行是clk信号）

   

6. always的时间控制（触发控制）

   • 触发方式

     • 简单延时： always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

     • 沿触发：常用于描述时序逻辑行为

       

     • 电平触发：常用来描述组合逻辑行为

       
       如果组合逻辑的输入变量很多，编写敏感列表会很麻烦，这时可以用@(*)表示对后面语句块中所有输入变量的变化都是敏感的
       

   • 触发信号

     • 单个信号
     • 多个信号，中间需要or连接

   • 引起触发的多个事件名/信号名组成的列表称为 “敏感列表”

（3）组合逻辑电路和时序逻辑电路

• 数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两类

  • 组合逻辑电路

    • 任意时刻的输出仅仅决定于此时刻的输入信号，与电路原来的状态无关

  • 时序逻辑电路

    • 任意时刻的输出决定于此时刻的输入信号以及电路原来的状态，因此时序逻辑电路必须具有记忆功能

  

3. 赋值语句

• reg只能在initial和always块中赋值
• wire只能通过assign或通过模块输入输出端口赋值

（1）阻塞赋值

1. 格式：b = [delay] a; （这里的delay是语句内延时）

2. 操作：计算右值，内部延时，更新左值。

3. 所谓 “阻塞” ：指同一个always块中，后面的赋值语句是在前一句赋值语句结束之后才开始赋值的

4. 示例

• 示例（1）
  

  • 由于采用了阻塞赋值，执行过程如下
    • a = 0; 这时a=0，b=2，c=3
    • b = a; 这时a=0，b=0，c=3
    • c = b; 这时a=0，b=0，c=0
  • 从波形图来看，就好像三条语句在同一时刻执行完一样

• 示例（2）

initial begin 
	t = #5 0;	// 时间为(0,5]时，t=x
	t = #4 1;	// 时间为(5,9]时，t=0
	t = #10 0;  // 时间为(9,19]时，t=1
end

（2）非阻塞赋值

1. 格式：b <= [delay] a;（这里的delay是语句内延时）

2. 操作：赋值开始的时候，计算右值；进行内部延时；赋值结束时，更新左值

3. 所谓 “非阻塞”：指在计算右值和更新左值期间，允许其他的非阻塞赋值语句同时计算右值和左值

4. 非阻塞赋值只能用于对reg类型的变量进行赋值，因此只能用在 initial块 和 always块 中

5. 示例

• 示例（1）
  
  • 由于采用了非阻塞赋值，执行过程如下
    • a = 0; b = a; c = b; 三行同时开始计算右值，然后同时更新左值，导致a的值变为0，b的值变为一开始a的值（1），c变为一开始b的值（2）
    • …
• 示例（2）

initial begin 
	t = #5 1;	
	t = #4 0;	
	t = #10 0;  
end
// 时间为(0,4]时，t=x，时间为(4,5]时，t=0，时间为(5,10]时，t=1，时间为(10,正无穷]时，t=0，

• 示例（3）
  • 这里我需要在一个时钟周期内先读再写一个reg类型变量，通过非阻塞赋值来实现它
  • 分析以下代码，当clk的下降沿来到时，两个always语句同时执行。reg_a的值在第二条always中被读取，在此时刻结束前的最后一刻，reg_a的值在第一条always语句中被刷新

always @(negedge clk)
	reg_a <= data;			// 写
always @(negedge clk)
	reg_b <= reg_a;			// 读

（3）使用原则

1. 对always语句块外用到的变量进行赋值时，使用<=，计算中间结果时，使用=

2. 注意

   • 在同一个always块中不要两种赋值混用（不知道该生成哪种电路了）
   • 不允许在多个always块中对同一个变量进行赋值（因为是并行执行，这样会冲突）

（4）assign

• Verilog语言使用一个或多个模块对数字电路建模，通常可以用三种方式：

  1. 结构描述方式：即调用其它已定义好的低层模块或直接调用Verilog内部度基本门级元件描述电路结构和功能。

  2. 数据流描述方式：连续使用赋值语句（assign）对电路的逻辑功能进行描述。

  3. 行为风格描述方式：使用过程块语句结构（initial和always语句）和比较抽象的高级程序语句对电路的逻辑功能进行描述。

  4. 也可以把这些方式混用，称为混合设计风格描述方式

• assign语句就属于第二种。

  • 连续赋值语句用于对wire型变量进答行赋值，它由关键字内assign开始，后面跟着由操作数和运算符组成的逻辑表达式。

  • 在assign语句中，左边变量的数据类型必须是wire型。模块的input和output如果容不特别声明类型，默认是wire类型。

  • 格式assgin [delay]LHS_net = RHS_expression

  • assign右边的操作数无论何时发生变化，右边的表达式都会被重新计算，并且在指定的延时后（默认0），计算得到的值被赋予等号左边的线网变量。因此也称为 “连续赋值语句”

  • assign、always、initial等是并发执行的

  • 例如：

    wire A,B,SEL,L;//声明4个线型变量
    assign L=(A&~SEL)|(B&SEL);//连续赋值
    

• 总之

  • assign常习惯用在模块的output赋值
    • 如果直接写out = ...，这是把内部的reg信号直接作为输出，这里其实暗含了用根导线直接把reg的输出与out连接起来
    • 如果写assign out = ...，这是把上面的隐含的线显式表示了
    • 这二者的RTL没有太大变化
    • 注意out是一个wire类型
  • 从实用角度来说，assign意义比较大。当内部有多个信号需要输出，可是输出引脚只有一个，那么这时就可以进行选择。如下：assign lholda= (条件)? (lholda_ra): lholda_rb; 可以嵌套使用。（这个真的很很很很常用！！）

4. 条件语句

• 条件语句必须在过程块（即由 initial 和 always 引导的块语句）中使用

（1）if_else语句

1. 格式

//写法1--------------------------------------
if(a > b)
   	out = data_1;
   	
//写法2--------------------------------------
if(a > b)
	out = data_1;
else
   	out = data_2;
   	
//写法3--------------------------------------
if(表达式1)
   	语句1;
else if(表达式2)
   	语句2;
   ...
else if(表达式n)
   	语句n;
else
   	语句n+1;

2. 说明

   • 允许一定程度的简写

     • if(a) 等同于 if(a==1)

     • if(!a) 等同于 if(a!=1)

   • if 语句对表达式的值进行判断

     • 若为 0 ,x ,z 则按假处理
     • 若为 1 则按真处理

   • if 和 else 语句后面的操作语句可以用 begin 和 end 包含多行语句

   • 允许 if 语句的嵌套

（2）case/casez/casex语句

1. 格式
   

2. 说明

   • 分支表达式的值互不相同
   • 所有表达式的位宽必须相等
     • 不要省略位宽用'bx代替n'bx，因为省略写法默认位宽32位，如果case的信号不是32位易出错
   • casez语句

     • 比较时不考虑表达式中的高阻值z

     • 示例分析
       

       • 第一个case，只要求高四位是1100
       • 第二个case，要求高六位是1100XX
   • casex语句
     • 比较时不考虑表达式中的高阻值z和不定值x
     • 如果程序还是上图那样，这时第一个和第二个case判断的一样了，报错