HDLBits题解
HDLBits 题解
一、写在前面的话
这篇博文的本质不是一篇答案的汇总，HDLBits的题目组织形式是蕴含思想的（就像五三或者衡中的数学卷子），可以看到，虽然大部分前面的题目都谈不上难，但是如果一道一道的做下来，就会有体会，网站的搭建者是希望通过这组题目，来传递一种硬件设计思想。当然，更谦虚的说法是硬件设计思想基础。这篇博文的目的就是通过这些题目，来勉力阐述这种思想。
我写到了FSM章节的一半，其他的都写了，短期内应该是肝不动了，所以FSM的后面的答案就没有题解了，实在抱歉。
鸣谢名单在结尾放出。因为是无聊的刷题故事（不是为了写这篇文章，我打死都不会写这组题），所以鸣谢人员中只有很少在解决问题上为我提供帮助，但是倒是有很多人陪伴见证了这个无聊的故事，故一并鸣谢。
二、无关题目
2.1 $stop
这个可以写在initial块里面，需要注意的是后面是需要加上分号的，要是丢了就会报错，所有的调用系统任务语句都需要加分号结尾。但是预编译处理指令是不需要加分号结尾的。
2.2 层次命名
-
每一个模块实例，信号，变量，命名块，生成块都使用一个标识符进行定义
-
层次命名允许设计者在整个设计中通过唯一的名字表示每一个标识符
-
层次名由一连串使用 “.” 分隔的标识符组成，每个标识符代表一个层次。
这些知识我也是才接触不久，感觉还是很跟C有很大差别的，只是很难言明这种感觉，只能说很体现硬件思想，而并不是面向过程的软件语言（有点像面向对象），具体在实践的时候，我觉得有几个小体会
.clk1(clk2), 第一、我每次都分不清到底clk1和clk2哪个是端口，哪个是激励端，现在知道，加了" . "的clk1是端口（因为是层次名），而clk2是激励端。
第二、对ISE左侧的继承关系更加清晰，
可以看出，最上层的是测试平台，之后是top模块，之后是top模块实例化的各个小模块，即使测试平台并不是一个传统的模块（没法综合）但是它还是有一个名字。
第三、对命名块和生成块的理解加深
命名块应该是为了服务于内部的局部变量的，生成块应该是服务于在其中生成的硬件的，他们必选要名字，我会在下面的一组例题中阐述。
三、Getting Started
3.1 Getting Started
module top_module( output one );
// Insert your code here
assign one = 1'b1;
endmodule
在首道题目中，需要强调的是HDLBit中的编译器特点，这个编译器不像ISE提供的编译器，最明显的差别就是在线编译器对线网类型和寄存器类型区分不明显，比如assign的左式也可以是reg，always左式是wire也可以，这些都是能编译通过并通过测评的，但是在ISE中是无法通过语法检测的，需要注意。
3.2 Output Zero
module top_module(
output zero
);// Module body starts after semicolon
assign zero = 1'b0;
endmodule
四、Verilog Language
4.1 Basic
4.1.1 Simple Wire
module top_module( input in, output out );
assign out = in;
endmodule
这个题目用一个assign连续赋值语句来将输入和输出连接起来，标题的simple wire暗示了assign其实不是赋值，而是连接，我更加偏爱这种说法。
4.1.2 Four Wire
最小白的写法是这样的
module top_module(
input a,b,c,
output w,x,y,z );
assign w = a;
assign x = b;
assign y = b;
assign z = c;
endmodule
可以说还是很好的，是很硬件，一点也不过程的代码。然后看优化版
module top_module(
input a,
input b,
input c,
output w,
output x,
output y,
output z );
assign {w, x, y, z} = {a, b, b, c};
endmodule
这里做了两点优化，一个是端口的代码风格，改成了一个一行的形式，这种的好处是在避免一行过于长的情况，类似的方法还在parameter中出现。
另一个是利用拼接运算符简化assign语句的使用，这个在这道题目中有炫技的嫌疑，但是在移位寄存器等应用中，这种方法很体现本质。
4.1.3 Inverter
module top_module( input in, output out );
assign out = ~in;
endmodule
在这里讲一下数据流级建模和行为级建模的区别，总的来说，这两种与其他方法的最重大区别就是不在有实例化（最具有硬件特征的代码）。对于两者的区别，数据流还是与硬件对应的很好的，他以assign和运算符为特征，只是为了简化一大堆逻辑门的实例化过程。行为级趋向于从模块外部描述模块的行为，以initial和always为标志，里面有循环和分支判断，这个级别与C语言更加接近（因为是在描述行为），与硬件的对应关系减弱（需要多思考才能意识到这其中的联系）。
我初学的时候，一直在想，verilog到底跟C有什么不同，现在越学越觉得，verilog与C有什么相同？他们两个好比姐妹种，只是外形相似，而内在完全不同。
而他们完全不同的原因，就是因为他们干的事情是不同的。对于面向过程的C，他描述的一种算法，是加工数据的一个过程，就好像一本小说，最重要的是在时间上流动的情节。对于硬件描述性语言的verilog，他描述的一块电路板，是元器件间的链接。就好像一幅画。确实一本小说里面可以有环境描写和人物介绍（变量声明），但是这些东西都是为了算法服务的。同样，作画的时候，我们说要画一个在草地上奔跑的姑娘，我们要画一百颗星星，我们要用白色和红色勾兑出粉色（分支判断，生成块），但是最后的成品依然是静态的一幅画。所有的代码都是为了描述一个硬件，这就是宗旨。
所以生成块如果用面向过程的角度来看，是不可理解的，生成代码对于C而言，就是生成算法，C可以接受循环，这代表着在时间上重复干一件事，但是绝对不能接受生成算法。但是对于verilog，循化才是不能接受的事情，画在纸上的姑娘可以哭，可以笑，但是由哭变笑，再重复100遍，是不可以的。但是我们可以接受纸上同时有100个或笑着或哭着的小姑娘。
我用logisim的时候，觉得这就是硬件描述软件，但是为什么在verilog中花了这么长时间才意识到这件事情。我觉得是因为verilog在简化描述的过程，在logisim的时候，我想要一个16个与门，我就得自己搭16次，连48次线，但是在verilog中，我可以用循环生成，在logisim我想实现一个有分支判断的电路，就要自己搭MUX，但是在这里，if-else就可以了。尽管画作是静态的，但是作画的过程是动态的，正是这里的动态让我产生了疑惑。此外，verilog不仅是为了描述硬件，他还描述测试平台，而测试平台显然是动态的，所以有些语句是为了测试平台写的，而不是为了描述硬件。
4.1.4 AND gate
module top_module(
input a,
input b,
output out );
assign out = a & b;
endmodule
在后面这几道题目，都是数据流级的建模，做完就可以加深这种理解。
4.1.5 NOR gate
module top_module(
input a,
input b,
output out );
assign out = ~(a | b);
endmodule
4.1.6 XNOR gate
module top_module(
input a,
input b,
output out );
assign out = ~(a ^ b);
endmodule
4.1.7 Declaring wires
`default_nettype none
module top_module(
input a,
input b,
input c,
input d,
output out,
output out_n );
wire e, f;
assign e = a & b;
assign f = c & d;
assign out = e | f;
assign out_n = ~out;
endmodule
上面那个`default_nettype是将没有声明就使用的变量规定为不合法，要不然这样的变量在缺省的条件下是wire类型。
我们可以看到，尽管wire是“线”的意思，但是并没有起到连线的作用，起到连线作用的是赋值语句和模块实例化的端口连接，wire更像是一个节点。
4.1.8 7458 chip
module top_module (
input p1a, p1b, p1c, p1d, p1e, p1f,
output p1y,
input p2a, p2b, p2c, p2d,
output p2y );
wire a, b, c, d;
assign a = p1a & p1b & p1c;
assign b = p1d & p1e & p1f;
assign c = p2a & p2b;
assign d = p2c & p2d;
assign p1y = a | b;
assign p2y = c | d;
endmodule
这个看图连接就可以，可以看到，声明中间变量可以简化assign语句。
4.2 Vector
4.2.1 Vectors
module top_module (
input wire [2:0] vec,
output wire [2:0] outv,
output wire o2,
output wire o1,
output wire o0 ); // Module body starts after module declaration
assign outv = vec;
assign o0 = vec[0];
assign o1 = vec[1];
assign o2 = vec[2];
endmodule
可以看到向量这个词用得很好，它区别于数组的概念，它说的是一个线或者寄存器是多位宽的，而不是有一组线或者一组寄存器。
4.2.2 Vectors in more detail
`default_nettype none // Disable implicit nets. Reduces some types of bugs.
module top_module(
input wire [15:0] in,
output wire [7:0] out_hi,
output wire [7:0] out_lo );
assign out_hi = in[15:8];
assign out_lo = in[7:0];
endmodule
这个题还是有很多语法细节需要强调的。
第一、对于向量来讲，重要的是高位和低位的概念，这规定了向量的方向，在verilog中，有
verctor [msb_base_expr:lsb_base_expr]
左侧是最高位，右侧是最低位，高低不是看数字的大小
wire [0:7] a;
wire [7:0] b;
a的最高位是a[0]，b的最高位是b[7]。
第二、向量声明的时候，写在“ [] ” 里的数字只是编号，而不具有计数意义，因为这样的写法都是允许的，比如
reg [4:1] x;
reg [3:-2] y;
wire [0:7] z;
那么比如说我要调用x，y，z的最低位，不是x[0],y[0],z[0]（即不是最小的自然数0，这样就具有计数意义了）。而是x[1],y[-2],z[7]。这样只是编号。
4.2.3 Vector part select
module top_module(
input [31:0] in,
output [31:0] out );//
assign out[7:0] = in[31:24];
assign out[15:8] = in[23:16];
assign out[23:16] = in[15:8];
assign out[31:24] = in[7:0];
endmodule
这种写法可以过，但是介绍一种高端的位选方法，这种写法也可以过。
module top_module(
input [31:0] in,
output [31:0] out );//
assign out[7:0] = in[24+:8];
assign out[15:8] = in[16+:8];
assign out[23:16] = in[15-:8];
assign out[31:24] = in[7-:8];
endmodule
关于这种写法，有标准：
a[31:24];
c[0:8];
big_vect[lsb_base_expr +: width_expr];
big_vect[msb_base_expr -: width_expr];//适用于a这样的向量
little_vect[msb_base_expr +: width_expr];
little_vect[lsb_base_expr -: width_expr];//适用于c这样的向量
//a[0 +: 4] 就是 a[3:0]
//a[7 -: 4] 就是 a[7:4]
//c[0 +: 4] 就是 c[0:3]
//c[7 -: 4] 就是 c[4:7]
但是其实这种标注简单来说，就是忽略了方向，值关注编号区间的做法。
这种高端的位选有什么好处呢？是因为在普通的位选中，高位和低位都必须是常量，也就是说，没办法让类似循环一类的迭代变量参与位选。但是在这种方法中，位选基准位可以是变量，只要宽度是常量就可以了。在后面有题目举例。
4.2.4 Bitwise operators
module top_module(
input [2:0] a,
input [2:0] b,
output [2:0] out_or_bitwise,
output out_or_logical,
output [5:0] out_not
);
assign out_or_bitwise = a | b;
assign out_or_logical = a || b;
assign out_not = {~b, ~a};
endmodule
这道题主要是区分位运算和逻辑运算的，向量位运算的结果还是一个向量，逻辑运算的结果，其实是把向量转化成一个整数，在转化成一个bool值（非0为1，0为0），再得出一个bool值的结果。
关于位运算的优先级，除了移位运算符，其他运算符的优先级都是要比“ == ”的运算级要低，所以使用位运算，最好加括号。
4.2.5 Four-input gates
module top_module(
input [3:0] in,
output out_and,
output out_or,
output out_xor
);
assign out_and = ∈
assign out_or = |in;
assign out_xor = ^in;
endmodule
这个题目其实是缩减运算符的应用，作为一个单目运算符，可以将向量的每一位作为运算对象进行运算。
4.2.6 Vector concatenation operator
module top_module (
input [4:0] a, b, c, d, e, f,
output [7:0] w, x, y, z );//
assign {w, x, y, z} = {a, b, c, d, e, f, 2'b11};
endmodule
这是在引入位拼接运算符。
4.2.7 Vector reversal 1
module top_module(
input [7:0] in,
output [7:0] out
);
assign out = {in[0], in[1], in[2], in[3], in[4], in[5], in[6], in[7]};
endmodule
这种方法还是十分笨拙的，但是其实是最好理解的，对于更加复杂的行为，我们可能需要更多的知识才能理解，所以后面还会有后续题目。
但是鉴于理解的连贯性，所以在这里一并书写，如果难以理解，不妨到了后面再看。
有一种用for循环的写法
module top_module(
input [7:0] in,
output [7:0] out
);
always @(*) begin
for (int i=0; i<8; i++) // int is a SystemVerilog type. Use integer for pure Verilog.
out[i] = in[8-i-1];
end
endmodule
需要注意，这是一种行为描述，而不是一个过程描述，这个不是一个循环赋值的过程，而是描述了一种执行循环赋值的功能模块。这是一个很好的行为级描述的例子。
还需要注意的是只有i = i + 1;，没有i++;
还有一种是运用循环生成语句
module top_module(
input [7:0] in,
output [7:0] out
);
generate
genvar i;
for (i=0; i<8; i = i+1) begin: my_block_name
assign out[i] = in[8-i-1];
end
endgenerate
endmodule
这就是循环生成语句，这是一种数据流级别的描述，是区别于行为描述的（两者的概念区别可以在4.1.3中有介绍）。可以看出，行为描述了1个具有这样行为的模块，而循环生成语句其实连接了8个模块，这是区别。
为什么循环生成语句中的for一定需要一个名字，这是与层次命名有关的。如果循环生成语句里面是结构建模，我们为了指定哪个非门，就需要层次的帮助，那么就是块语句需要名字的原因。可以好好体会。
4.2.8 Replication operator
module top_module (
input [7:0] in,
output [31:0] out );//
assign out = {
{24{in[7]}}, in};
endmodule
这个需要强调的是，应用重复法的时候，需要在重复单元以后再加一个位拼接运算符，即，这种是错误的
{a, 4{b}}
而正确的写法是
{a, {4{b}}}
4.2.9 More replication
module top_module (
input a, b, c, d, e,
output [24:0] out );
assign out = ~({
{5{a}}, {5{b}}, {5{c}}, {5{d}}, {5{e}}} ^ {
{5{a, b, c, d, e}}});
endmodule
这是上一道题目的巩固。
4.3 Modules：Hierarchy
4.3.1 Modules
module top_module ( input a, input b, output out );
mod_a instance1(a, b, out);
endmodule
从这一章开始会涉及很多模块实例化的内容，个人认为其实这个部分才是电子设计的精髓，不只是把不同功能的东西拼在一起，而是把功能较为弱，规模较为小的模块（比如只能计算一位）聚合成功能强大，规模较为大的模块。
4.3.2 Connecting ports by position
module top_module (
input a,
input b,
input c,
input d,
output out1,
output out2
);
mod_a ins(out1, out2, a, b, c, d);
endmodule
需要注意的是，out1，out2这样连接在模块端口的输出变量，只能是wire类型的，用reg类型会在ISim上会输出x，但是这个问题不会在HDLBits上暴露，因为它格式不严格。
4.3.3 Connecting ports by name
module top_module (
input a,
input b,
input c,
input d,
output out1,
output out2
);
mod_a ins(.out1(out1), .out2(out2), .in1(a), .in2(b), .in3(c), .in4(d));
endmodule
还是可以看出层次命名的应用，通过**“ . ”**来调用端口名。
4.3.4 Three modules
module top_module ( input clk, input d, output q );
wire q1, q2;
my_dff D1(clk, d, q1);
my_dff D2(clk, q1, q2);
my_dff D3(clk, q2, q);
endmodule
4.3.5 Modules and vectors
module top_module (
input clk,
input [7:0] d,
input [1:0] sel,
output [7:0] q
);
wire [7:0] q1, q2, q3;
my_dff8 D1(clk, d, q1), D2(clk, q1, q2), D3(clk, q2, q3);
always @(*) begin
case(sel)
2'h0:
q <= d;
2'h1:
q <= q1;
2'h2:
q <= q2;
2'h3:
q <= q3;
endcase
end
endmodule
4.3.6 Adder1
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);
wire carry1, carry2;
add16 low(a[15:0], b[15:0], 1'b0, sum[15:0], carry1);
add16 high(a[31:16], b[31:16], carry1, sum[31:16], carry2);
endmodule
加法器就是很明显的那种功能较弱的模块聚合成功能较强的模块的例子，以后设计的时候也可以从这个角度思考，先解决一个小问题，在通过增设端口来解决大问题，可以说是一种自底向上了。
4.3.7 Adder2
module top_module (
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);//
wire carry1, carry2;
add16 low(a[15:0], b[15:0], 1'b0, sum[15:0], carry1);
add16 high(a[31:16], b[31:16], carry1, sum[31:16], carry2);
endmodule
module add1 ( input a, input b, input cin, output sum, output cout );
assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule
这道题题面还是很难读懂的，其实add16他写好了一部分，其中用到的add1需要读者自己写。
4.3.8 Carry-select adder
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
output [31:0] sum
);
wire cout, c1;
wire [15:0] sum1, sum2;
add16 low(a[15:0], b[15:0], 1'b0, sum[15:0], cout);
add16 high0(.a(a[31:16]), .b(b[31:16]), .cin(1'b0), .sum(sum1));
add16 high1(.a(a[31:16]), .b(b[31:16]), .cin(1'b1), .sum(sum2));
always @(*) begin
if(cout == 0)
sum[31:16] <= sum1;
else
sum[31:16] <= sum2;
end
endmodule
这也是一种改进串行加法器的方法，只不过实现起来看着不如超前进位加法器优雅。
4.3.9 Adder-subtractor
module top_module(
input [31:0] a,
input [31:0] b,
input sub,
output [31:0] sum
);
wire [32:0] tmp;
wire cout;
assign tmp = b ^ {32{sub}};
add16 low(a[15:0], tmp[15:0], sub, sum[15:0], cout);
add16 high(a[31:16], tmp[31:16], cout, sum[31:16]);
endmodule
这个设计实在是太漂亮了，利用补码的补码是原码，取反加一是补码的原理，结合异或取反和进位加一，实现了加法器和减法器的统一，这个的具体原理在硬件中的数_living_frontier的博客-CSDN博客有，在这里就不讲了。
4.4 Procedures
4.4.1 Always blocks（combinational）
module top_module(
input a,
input b,
output wire out_assign,
output reg out_alwaysblock
);
assign out_assign = a & b;
always @(*) out_alwaysblock = a & b;
endmodule
这章叫做procedure，主要的就是行为级建模的诸多例子，其中有数据流级有很大差别，语法更加接近C，需要好好体会。
HDLBits在很明确的把always模块分为了两类，一种是组合逻辑，一种是时序逻辑。这是一种很好的角度，要是不刷题，估计意识到这件事情要很久。
4.4.2 Always blocks（clocked）
module top_module(
input clk,
input a,
input b,
output wire out_assign,
output reg out_always_comb,
output reg out_always_ff );
assign out_assign = a ^ b;
always @(*) out_always_comb = a ^ b;
always @(posedge clk) out_always_ff = a ^ b;
endmodule
有一个问题我一直想论证，就是学习一门语言，不需要学习他的全部，而是学习他的子集。只要这些子集可以张成全部描述功能就好了，比如其实Always块的语法还有很多，但是了解了上面这两种，就可以解决大部分问题了。类似的例子还出现在可综合的语法的模块书写和不可综合的testbench上。
4.4.3 If statement
module top_module(
input a,
input b,
input sel_b1,
input sel_b2,
output wire out_assign,
output reg out_always );
assign out_assign = ({sel_b1, sel_b2} == 3) ? b : a;
always @(*)
if({sel_b1, sel_b2} == 3)
out_always = b;
else
out_always = a;
endmodule
4.4.4 If statement latches
module top_module (
input cpu_overheated,
output reg shut_off_computer,
input arrived,
input gas_tank_empty,
output reg keep_driving ); //
always @(*) begin
if (cpu_overheated)
shut_off_computer = 1;
end
always @(*) begin
if (~arrived)
keep_driving = ~gas_tank_empty;
end
endmodule
这里讲一下锁存器问题，如果没有else，default，这类东西都会造成锁存器。所谓锁存器就是电平敏感的存储电路。其实在实际的电子设计中还算常见。
但是我初学的时候，似乎锁存器是一个令人谈虎色变的东西，但具体询问为什么不好？得出的结论就是容易造成bug，但是为什么一个正常的东西，会造成bug，能解释的人就少了。
经过多方的协助，我个人感觉有两点原因：第一个是在综合的时候，受限于FGPA设计，锁存器的实现需要大量的硬件资源，所以不值当的。第二个是真的容易出bug，是因为我们进行电路设计的时候，都是把电路拆分成组合逻辑和寄存器两个部分，那么锁存器，不是组合逻辑，不是寄存器，但是它伪装的很像组合逻辑，这样就很难debug了，也就是说，是因为我们的设计习惯这个主观因素导致了锁存器的尴尬。
类比一下，锁存器就像C语言的go一样，功能是没有毛病（不是像网上说的会导致毛刺之类的，那些原因也会使寄存器毛刺），但是跟我们的设计习惯不符。
4.4.5 Case statement
module top_module (
input [2:0] sel,
input [3:0] data0,
input [3:0] data1,
input [3:0] data2,
input [3:0] data3,
input [3:0] data4,
input [3:0] data5,
output reg [3:0] out );//
always@(*) begin // This is a combinational circuit
case(sel)
0:
out = data0;
1:
out = data1;
2:
out = data2;
3:
out = data3;
4:
out = data4;
5:
out = data5;
default:
out = 0;
endcase
end
endmodule
4.4.6 Priority encoder
module top_module (
input [3:0] in,
output reg [1:0] pos );
always @(*)
case(in)
4'b0000: pos = 0;
4'b0001: pos = 0;
4'b0010: pos = 1;
4'b0011: pos = 0;
4'b0100: pos = 2;
4'b0101: pos = 0;
4'b0110: pos = 1;
4'b0111: pos = 0;
4'b1000: pos = 3;
4'b1001: pos = 0;
4'b1010: pos = 1;
4'b1011: pos = 0;
4'b1100: pos = 2;
4'b1101: pos = 0;
4'b1110: pos = 1;
4'b1111: pos = 0;
endcase
endmodule
这里介绍case的两个重要特性，一个是多种输出相同的情况是可以用“ ，”并列排布的，比如这样也是可以通过的:
module top_module (
input [3:0] in,
output reg [1:0] pos );
always @(*)
case(in)
4'b0000,
4'b0001,
4'b0011,
4'b0101,
4'b0111,
4'b1001,
4'b1011,
4'b1101,
4'b1111:
pos = 0;
4'b0010,
4'b0110,
4'b1010,
4'b1110:
pos = 1;
4'b0100,
4'b1100:
pos = 2;
4'b1000:
pos = 3;
endcase
endmodule
另一个就是，case虽然是分支判断，但是是有优先顺序的（这是这节叫做优先译码器的原因），在上面的情况是比在下面的情况优先级高的，在case里面不明显，是因为无论是0,1，x，z都是每个差一点都不行，所以情况和情况之间不会有重叠，但是在casez和casex中就会有区别。
4.4.7 Priority encoder with casez
module top_module (
input [7:0] in,
output reg [2:0] pos );
always @(*)
casez(in)
8'bzzzzzzz1: pos = 0;
8'bzzzzzz1z: pos = 1;
8'bzzzzz1zz: pos = 2;
8'bzzzz1zzz: pos = 3;
8'bzzz1zzzz: pos = 4;
8'bzz1zzzzz: pos = 5;
8'bz1zzzzzz: pos = 6;
8'b1zzzzzzz: pos = 7;
default: pos = 0;
endcase
endmodule
首先先介绍一下x和z。x是不定态，也就是说，其状态不可知，在verilog中，比较运算符“==”如果比较的位数中含有x或者z，就会输出x，但是如果用" === "就不会有这种输出，“===”会逐位比较，包括只有x和z都相等的时候，就会输出1，否则输出0。z是高阻态，在实际电路中，开关断开（没有驱动）就意味着高阻态（断路电阻视为很大）。
但是casex和casez跟上面讲的东西一毛钱关系都没有。casex和casez说的是如果情况中的某一位值是x或z（对应），那么就不比较他们了，就比较其他的不是x或z的位，这样就会造成情况的重叠，但是正如前一道题目叙述，优先译码器的特性得到了用武之地。
4.5 More Verilog Features
4.5.1 Conditional ternary operator
module top_module (
input [7:0] a, b, c, d,
output [7:0] min);//
wire [7:0] tmp1, tmp2;
assign tmp1 = (a < b) ? a : b;
assign tmp2 = (c < d) ? c : d;
assign min = (tmp1 < tmp2) ? tmp1 : tmp2;
endmodule
需要强调，无论串连多少个三目运算符，都是一个式子，也就是说，signed这个，会被后面的某个unsigneded同化，所以其实assign三目是种很不好的语言，我看过激进的观点是抛弃assign，完全用Always代替，也不无可取之处。
4.5.2 Reduction operators
module top_module (
input [7:0] in,
output parity);
assign parity = ^in;
endmodule
4.5.3 Reduction：Even wider gates
module top_module(
input [99:0] in,
output out_and,
output out_or,
output out_xor
);
assign out_and = ∈
assign out_or = |in;
assign out_xor = ^in;
endmodule
4.5.4 Combinational for-loop：Vector reversal2
module top_module(
input [99:0] in,
output [99:0] out
);
generate
genvar i;
for(i = 0; i < 100; i++) begin:reverse
assign out[i] = in[99 - i];
end
endgenerate
endmodule
for循环来描述行为在4.2.7中已经系统介绍过了，这里想说的是，还有一个东西看上去很过程（跟for一样），但是也可以用来描述硬件，就是整数，后面会有关于FSM的设计，里面如果条件复杂一些，就会用到一些比如计数寄存器，而寄存器本质是一种简单的FSM，所以写起来bug很多（时序问题），但是如果用整型实现计数功能，就不会有这种困扰，应当灵活一些。
4.5.5 Combinational for-loop：255-bit population count
module top_module(
input [254:0] in,
output [7:0] out );
integer i;
always@(*)begin
out = 1'b0;
for(i=0;i< 255;i=i+1)begin
out = out + in[i];
end
end
endmodule
这个实现的是logisim中bitadder的功能，可以说，虽然for不太自然，但是面对这样的功能，这个已经很自然了。
而且居然是可以综合的，我能看懂的部分用到了异或门。
4.5.6 Generate for-loop：100-bit binary adder2
module top_module(
input [99:0] a, b,
input cin,
output [99:0] cout,
output [99:0] sum );
integer i;
always@(*)begin
{cout[0],sum[0]} = a[0]+b[0]+cin;
for(i=1;i< 100;i=i+1)begin
{cout[i],sum[i]} = a[i]+b[i]+cout[i-1];
end
end
endmodule
这里是没有用生成块的，主要是为了适应这种过于过程的for。
4.5.7 Generate for-loop：100-digit BCD adder
module top_module(
input [399:0] a, b,
input cin,
output cout,
output [399:0] sum );
wire[99:0] cout_1;
generate
genvar i;
for(i = 0; i <= 99; i = i + 1)begin:adder
if(i == 0)begin
bcd_fadd u_bcd_fadd(
.a (a[3:0]),
.b (b[3:0]),
.cin (cin),
.sum (sum[3:0]),
.cout (cout_1[0])
);
end
else begin
bcd_fadd ui_bcd_fadd(
.a (a[4 * i + 3: 4 * i]),
.b (b[4 * i + 3: 4 * i]),
.cin (cout_1[i - 1]),
.sum (sum[4 * i + 3: 4 * i]),
.cout (cout_1[i])
);
end
end
assign cout = cout_1[99];
endgenerate
endmodule
像模块实例化这种东西，就没办法用for行为来代替了，可见生成块是没有办法完全被其他语句替代的，所以还是需要好好学习的。
五、Circuit
5.1 Combinational Logic
5.1.1 Basic Gates
5.1.1.1 Wire
module top_module (
input in,
output out);
assign out = in;
endmodule
在整个第五章，我们会把整个常见的硬件全都用verilog写一遍，才能切实体会硬件设计的思想。要清楚语言与实际电路的对应关系。
5.1.1.2 GND
module top_module (
output out);
assign out = 1'b0;
endmodule
5.1.1.2 NOR
module top_module (
input in1,
input in2,
output out);
assign out = ~(in1 | in2);
endmodule
5.1.1.3 Another gate
module top_module (
input in1,
input in2,
output out);
assign out = in1 & (~in2);
endmodule
5.1.1.4 Two gates
module top_module (
input in1,
input in2,
input in3,
output out);
assign out = in3 ^ (~(in1 ^ in2));
endmodule
5.1.1.5 More logic gates
module top_module(
input a, b,
output out_and,
output out_or,
output out_xor,
output out_nand,
output out_nor,
output out_xnor,
output out_anotb
);
assign out_and = a & b;
assign out_or = a | b;
assign out_xor = a ^ b;
assign out_nand = ~(a & b);
assign out_nor = ~(a | b);
assign out_xnor = ~(a ^ b);
assign out_anotb = a & ~b;
endmodule
5.1.1.6 7420 chip
module top_module (
input p1a, p1b, p1c, p1d,
output p1y,
input p2a, p2b, p2c, p2d,
output p2y );
assign p1y = ~(p1a & p1b & p1c & p1d);
assign p2y = ~(p2a & p2b & p2c & p2d);
endmodule
5.1.1.7 Truth tables
module top_module(
input x3,
input x2,
input x1, // three inputs
output f // one output
);
assign f = x2 & ~x3 | x1 & x3;
endmodule
这道题是真值表和最小项的应用，我一直觉得这个是组合逻辑最强大的地方，通过简单的逻辑运算，就可以描述复杂的事务，大概就是《三体》里描述的场景吧。
5.1.1.8 Two-bit equality
module top_module ( input [1:0] A, input [1:0] B, output z );
assign z = (A == B);
endmodule
5.1.1.9 Simple circuit A
module top_module (input x, input y, output z);
assign z = (x^y) & x;
endmodule
5.1.1.10 Simple circuit B
module top_module ( input x, input y, output z );
assign z = ~(x ^ y);
endmodule
5.1.1.11 Combine circuits A and B
module top_module (input x, input y, output z);
wire tmp1, tmp2, tmp3, tmp4;
A A1(x, y, tmp1);
B B1(x, y, tmp2);
A A2(x, y, tmp3);
B B2(x, y, tmp4);
assign z = (tmp1 | tmp2) ^ (tmp3 & tmp4);
endmodule
module A (input x, input y, output z);
assign z = (x^y) & x;
endmodule
module B ( input x, input y, output z );
assign z = ~(x ^ y);
endmodule
5.1.1.12 Ring or virbrate
module top_module (
input ring,
input vibrate_mode,
output ringer, // Make sound
output motor // Vibrate
);
assign ringer = ~vibrate_mode & ring;
assign motor = vibrate_mode & ring;
endmodule
无聊的应用题。
5.1.1.13 Thermostat
module top_module (
input too_cold,
input too_hot,
input mode,
input fan_on,
output heater,
output aircon,
output fan
);
assign heater = mode & too_cold;
assign aircon = ~mode & too_hot;
assign fan = (mode & too_cold) | (~mode & too_hot) | fan_on;
endmodule
另一道无聊的应用题。
5.1.1.14 3-bit population count
module top_module(
input [2:0] in,
output [1:0] out );
always @(*) begin//这里赋初值很重要，忘了就错了
out = 0;
for(integer i = 0; i < 3; i = i + 1)
out = out + in[i];
end
endmodule
这里讲解一下初始值问题，当声明变量的时候，如果不赋值，那么wire类型初值是z，整数和寄存器都是x，这很符合实际情况，wire没有驱动的时候是高阻态，而综合后与门电路相关的整数和寄存器，都是与门电路相关，而门电路是有驱动的（这里说的是不是输入的驱动），所以应该是不定态x。
另外再次强调，计数用整型真的比寄存器好使。
5.1.1.15 Gates and vectors
module top_module(
input [3:0] in,
output [2:0] out_both,
output [3:1] out_any,
output [3:0] out_different );
assign out_both = in[2:0] & in[3:1];//这里就不能直接用0了，就必须指明位宽了
assign out_any = in[3:1] | in[2:0];
assign out_different = in ^ {in[0], in[3:1]};
endmodule
5.1.1.16 even longer Vectors
module top_module(
input [99:0] in,
output [98:0] out_both,
output [99:1] out_any,
output [99:0] out_different );
assign out_both = in[98:0] & in[99:1];
assign out_any = in[98:0] | in[99:1];
assign out_different = in[99:0] ^ {in[0], in[99:1]};
endmodule
5.1.2 Multiplexers
5.1.2.1 2-to-1 multiplexer
module top_module(
input a, b, sel,
output out );
assign out = (sel == 0) ? a : b;
endmodule
5.1.2.2 2-to-1 bus multiplexer
module top_module(
input [99:0] a, b,
input sel,
output [99:0] out );
assign out = (sel == 0) ? a : b;
endmodule
还是感叹向量和标量在处理上的一致性，刚学高代的时候感觉向量很不自然，现在看还是见识太少了。
5.1.2.3 9-to-1 multiplexer
module top_module(
input [15:0] a, b, c, d, e, f, g, h, i,
input [3:0] sel,
output [15:0] out );
always @(*)
case(sel)
0: out = a;
1: out = b;
2: out = c;
3: out = d;
4: out = e;
5: out = f;
6: out = g;
7: out = h;
8: out = i;
default: out = {16{1'b1}};
endcase
endmodule
当输入一多，case就变得有用了，数据流级的建模就不如行为级好了。
5.1.2.4 256-to-1 multiplexer
module top_module(
input [255:0] in,
input [7:0] sel,
output out );
assign out = in[sel];
endmodule
这里提供了一个更好的想法，利用数组索引，来进行位访问，在之前的题中也可以应用，可以说这个是最优雅的方法了。
5.1.2.5 256-to-1 4-bit multiplexer
module top_module(
input [1023:0] in,
input [7:0] sel,
output [3:0] out );
assign out = in[sel * 4 + 3 -: 4];
//assign out = in[sel*4 +: 4];
//assign out = {in[sel*4+3], in[sel*4+2], in[sel*4+1], in[sel*4+0]};
endmodule
这些写法都是可以的，包括注释里面的。但是下面这种写法是不可以的：
module top_module(
input [1023:0] in,
input [7:0] sel,
output [3:0] out );
assign out = in[sel * 4 + 3 : sel*4];
endmodule
据说是因为sel是这个选择里没有常量。但我觉得只是语法规定。
5.1.3 Arithmetic Circuits
5.1.3.1 half-adder
module top_module(
input a, b,
output cout, sum );
assign {cout, sum} = a + b;
endmodule
半加器就是不考虑进位的加法器。
5.1.3.2 Full adder
module top_module(
input a, b, cin,
output cout, sum );
assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule
全加器是考虑进位的加法器。
5.1.3.3 3-bit binary adder
module top_module(
input [2:0] a, b,
input cin,
output [2:0] cout,
output [2:0] sum );
fadd add0(a[0], b[0], cin, cout[0], sum[0]);
fadd add1(a[1], b[1], cout[0], cout[1], sum[1]);
fadd add2(a[2], b[2], cout[1], cout[2], sum[2]);
endmodule
module fadd(
input a, b, cin,
output cout, sum );
assign {cout, sum} = a + b +cin;
endmodule
5.1.3.4 Adder
module top_module (
input [3:0] x,
input [3:0] y,
output [4:0] sum);
assign sum = x + y;
endmodule
这个例子结合上面的，再次告诉我们数据流级建模的强大。
5.1.3.5 Signed addition overflow
module top_module (
input [7:0] a,
input [7:0] b,
output [7:0] s,
output overflow
);
assign s=a + b;
assign overflow=a[7] & b[7] & ~s[7] | ~a[7] & ~b[7] & s[7];
endmodule
这道题目用的是真值表法判断溢出，但是其实课堂介绍的是用的另一种方法：
Cs是符号位的进位，Cp是最高数值位的进位，如果两者相同，就没有溢出，如果不同，就溢出了，具体的证明在我的博客里有硬件中的数_living_frontier的博客-CSDN博客。但是为什么没有用到这个方法呢，是因为我们用的是数据流级的描述，没有办法探查具体每一位的情况的，即使写成这样
module top_module (
input [7:0] a,
input [7:0] b,
output [7:0] s,
output overflow
);
wire cs, cp;
assign s=a + b;
assign cs = a[7] & b[7];
assign cp = a[6] & b[6];
assign overflow = cs ^ cp;
endmodule
是错误的，是因为这些位的进位是还跟更低位有关，比如cp就不止和a[6]和b[6]有关，还跟第5位的cout有关，那么cout又跟第四位的cout有关，如此是没有办法写清楚的，但是在硬件实现中，这个问题是很好解决的（甚至不用解决，连出两根线就可以了），所以还是要注意非结构描述的代价。
5.1.3.6 100-bit binary adder
module top_module(
input [99:0] a, b,
input cin,
output cout,
output [99:0] sum );
assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule
5.1.3.7 4-digit BCD adder
module top_module(
input [15:0] a, b,
input cin,
output cout,
output [15:0] sum );
wire cout1, cout2, cout3;
adder a1(a[3:0], b[3:0], cin, sum[3:0], cout1);
adder a2(a[7:4], b[7:4], cout1, sum[7:4], cout2);
adder a3(a[11:8], b[11:8], cout2, sum[11:8], cout3);
adder a4(a[15:12], b[15:12], cout3, sum[15:12], cout);
endmodule
module adder(input [3:0] a, input [3:0] b, input cin, output [3:0] sum, output cout);
assign sum = (a + b + cin >= 'd10)? a + b + cin - 4'd10 : a + b + cin;
assign cout = (a + b + cin >= 'd10)? 1'd1 : 1'd0;
//这里需要注意一下assign sum = (a + b + cin >= 4'd10)? a + b + cin - 4'd10 : a + b + cin;是错误的。
//因为当比较的时候，会按照位宽较小的进行，如果a + b + cin超过16，就会变成 1_0000 > 1010，进而变成0000 > 1010
//造成错误
endmodule
这里应用的思想其实与高精度加法类似。
另外需要注意的点就是溢出问题，还是很难发现的，需要多多留意，在注释里已经把原理讲解的很清楚了。
5.1.4 Karnaugh Map to Circuit
5.1.4.1 3-variable
module top_module(
input a,
input b,
input c,
output out );
assign out = c | b & ~c | a & ~b;
endmodule
关于卡诺图，其原理和威力在这篇博客中我介绍了，所以就不在这里赘述了。计组中的组合数学_living_frontier的博客-CSDN博客
5.1.4.2 4-variable
module top_module(
input a,
input b,
input c,
input d,
output out );
assign out = ~b & ~c | ~a & ~d | b & c &d | a & c & d;
endmodule
5.1.4.3 4-variable
module top_module(
input a,
input b,
input c,
input d,
output out );
assign out = a | ~b & c | b & ~c & ~d;
endmodule
5.1.4.4 4-variable
module top_module(
input a,
input b,
input c,
input d,
output out );
assign out = a | ~b & c | b & ~c & ~d;
endmodule
5.1.4.5 4-variable
module top_module(
input a,
input b,
input c,
input d,
output out );
assign out = (~a&b&~c&~d) | (a&~b&~c&~d) | (~a&~b&~c&d) | (a&b&~c&d) | (~a&b&c&d) | (a&~b&c&d) | (~a&~b&c&~d) | (a&b&c&~d); //硬刚
endmodule
5.1.4.6 Minimum SOP and POS
module top_module (
input a,
input b,
input c,
input d,
output out_sop,
output out_pos
);
assign out_pos = c & (~a | b | ~c) & (~b | ~c | d);
assign out_sop = c & d | ~a & ~b & c;
endmodule
sop：sum of product 积之和
pos：product of sum 和之积
pos也可以用卡诺图处理，处理的对象变成了0，项也要相应取反。具体的证明可以使用反演定律，反演定律的证明在这篇博客里有计组中的组合数学_living_frontier的博客-CSDN博客。
5.1.4.7 Karnaugh map
module top_module (
input [4:1] x,
output f );
assign f = x[1] & x[2] & ~x[3] | ~x[1] & x[3];
//x[4:1]的下标就是4-1，不是3-0
endmodule
5.1.4.8 Karnaugh map
module top_module (
input [4:1] x,
output f
);
assign f = ~x[1] & x[3] | ~x[2] & ~x[4] | x[2] & x[3] & x[4];
endmodule
5.1.4.9 K-map implemented with a multiplexer
module top_module (
input c,
input d,
output [3:0] mux_in
);
assign mux_in = {(c&d),(~d),1'b0, (c|d)};
endmodule
5.2 Sequential Logic
5.2.1 Latches and Flip-Flops
5.2.1.1 D Flip-Flop
module top_module (
input clk, // Clocks are used in sequential circuits
input d,
output reg q );//
always @(posedge clk) begin
q <= d;
end
endmodule
显然，HDLBits想让我们在always @(posedge clk)和寄存器之间建立一种联系，这是一个很好的想法。
5.2.1.2 D Flip-Flops
module top_module (
input clk,
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always @(posedge clk) begin
q <= d;
end
endmodule
简单的标量变向量。
5.2.1.3 DFF with reset
module top_module (
input clk,
input reset, // Synchronous reset
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 8'd0;
else
q <= d;
end
endmodule
这个题和5.2.1.5是同步复位和异步复位的标准写法，很规范而且优雅。
5.2.1.3 DFF with reset value
module top_module (
input clk,
input reset,
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always @(negedge clk) begin
if(reset == 1'd1)
q <= 8'h34;
else
q <= d;
end
endmodule
5.2.1.4 DFF with asynchronous reset
module top_module (
input clk,
input areset, // active high asynchronous reset
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always @(posedge clk, posedge areset) begin//这个需要注意一下
if(areset)
q <= 8'd0;
else
q <= d;
end
endmodule
异步复位的标准写法。
5.2.1.5 DFF with byte enable
module top_module (
input clk,
input resetn,
input [1:0] byteena,
input [15:0] d,
output reg [15:0] q
);
always @(posedge clk) begin
if(~resetn)
q <= 16'h0;
else if(byteena[1] | byteena[0]) begin
if(byteena[1])
q[15:8] <= d[15:8];
if(byteena[0])
q[7:0] <= d[7:0];
end
end
endmodule
这是具有使能端的寄存器的标准写法。
5.2.1.6 D-latch
module top_module (
input d,
input ena,
output reg q);
always @(*) begin
if(ena)
q = d;
end
endmodule
可见一定要破除对锁存器的恐惧，这个代码是没有问题的。有问题的是提出这个问题却不给解答，从而让恐惧蔓延的人。
5.2.1.7 DFF
module top_module (
input clk,
input d,
input ar, // asynchronous reset
output reg q);
always @(posedge clk, posedge ar) begin
if(ar)
q <= 1'b0;
else
q <= d;
end
endmodule
跟上面题目重了。
5.2.1.8 DFF
module top_module (
input clk,
input d,
input r, // synchronous reset
output reg q);
always @(posedge clk) begin
if(r)
q <= 1'b0;
else
q <= d;
end
endmodule
5.2.1.9 DFF+gate
module top_module (
input clk,
input in,
output out);
always @(posedge clk) begin
out <= in ^ out;
end
endmodule
其实按照状态机的规范写法，应该把 in^out 拆出去写，这其实就是个moore状态机。
5.2.1.10 Mux and DFF
module top_module (
input clk,
input L,
input r_in,
input q_in,
output reg Q);
wire tmp;
assign tmp = (L == 1) ? r_in : q_in;
always @(posedge clk) begin
Q <= tmp;
end
endmodule
5.2.1.11 Mux and DFF
module top_module (
input clk,
input w, R, E, L,
output Q
);
wire tmp1;
assign tmp1 = E ? w : Q;
wire tmp2 = L ? R : tmp1;
always @(posedge clk) begin
Q <= tmp2;
end
endmodule
5.2.1.12 DFF and gates
module top_module (
input clk,
input x,
output z
);
reg q1 = 0;
reg q2 = 0;
reg q3 = 0;
always @ (posedge clk)
begin
q1 <= x ^ q1;
end
always @ (posedge clk)
begin
q2 <= x & (~q2);
end
always @ (posedge clk)
begin
q3 <= x | (~q3);
end
assign z = ~(q1 | q2 | q3);
endmodule
5.2.1.13 Create circuit from truth table
module top_module (
input clk,
input j,
input k,
output Q);
always @(posedge clk) begin
case ({j, k})
2'b00: Q <= Q;
2'b01: Q <= 1'b0;
2'b10: Q <= 1'b1;
2'b11: Q <= ~Q;
endcase
end
endmodule
这道题即使看上去是个jk触发器，其实当j = 1，k = 1的时候，不是翻转，而是反复翻转，所以这个状态时不被允许的。
5.2.1.14 Detect an edge
module top_module (
input clk,
input [7:0] in,
output [7:0] pedge
);
reg [7:0] in_r1, in_r2;
always@(posedge clk) begin
in_r1 <= in;
in_r2 <= in_r1;
end
assign pedge = ~in_r2 & in_r1;
//这法子太牛逼了
endmodule
这个方法我想不出来较为自然的理解办法，只能说太厉害了。
另外这道题声明了两个寄存器，来让in_r2这个寄存器获得延后in一周期的波动，其中涉及了非阻塞赋值（当然如果从寄存器角度理解，就是寄存器串联），其中的原理可以查看这篇博客http://cscore.buaa.edu.cn/#/discussion_area/151/posts
5.2.1.15 Detect both edge
module top_module (
input clk,
input [7:0] in,
output [7:0] anyedge
);
reg [7:0] in_r1, in_r2;
always@(posedge clk) begin
in_r1 <= in;
in_r2 <= in_r1;
end
assign anyedge = in_r2 ^ in_r1;
endmodule
继续跪着看答案。
5.2.1.16 Edge capture regesiter
module top_module (
input clk,
input reset,
input [31:0] in,
output [31:0] out
);
reg [31:0] in_reg;
always@(posedge clk)begin
in_reg <= in;
end
always@(posedge clk)begin
if(reset)begin
out <= 32'd0;
end
else begin
out <= ~in & in_reg | out;
end
end
endmodule
这个题是检测下降沿，检测到后out一直为高，直到reset == 1时，out为0。
方法依然难以揣摩，就记住把。
5.2.1.17 Dual-edge triggered flip-flop
module top_module (
input clk,
input d,
output q
);
reg p, n;
always @(posedge clk) p <= d;
always @(negedge clk) n <= d;
assign q = clk ? p : n;
endmodule
这个方法声明了一个上升边沿敏感的寄存器，一个下降边沿敏感的寄存器，然后用clk决定输出哪一个的值。
但是有一个问题，就是现实世界中，因为寄存器延迟，会产生毛刺，就是寄存器还没更新，就执行了assign语句，也就是在clk由0变1的过程，q的值是 旧n，旧q，新q，而我们只想要的是旧n，新q。
所以就有了标答解法（上面那种是可以过测评的）
module top_module(
input clk,
input d,
output q);
reg p, n;
// A positive-edge triggered flip-flop
always @(posedge clk)
p <= d ^ n;
// A negative-edge triggered flip-flop
always @(negedge clk)
n <= d ^ p;
// Why does this work?
// After posedge clk, p changes to d^n. Thus q = (p^n) = (d^n^n) = d.
// After negedge clk, n changes to p^n. Thus q = (p^n) = (p^p^n) = d.
// At each (positive or negative) clock edge, p and n FFs alternately
// load a value that will cancel out the other and cause the new value of d to remain.
assign q = p ^ n;
// Can't synthesize this.
/*always @(posedge clk, negedge clk) begin
q <= d;
end*/
endmodule
这样的话，就没有毛刺了。
5.2.2 Counters
5.2.2.1 Four-bit binary counter
module top_module (
input clk,
input reset, // Synchronous active-high reset
output reg [3:0] q);
initial begin
q <= 4'd0;
end
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 4'd0;
else
q <= q + 4'd1;
end
endmodule
5.2.2.2 Decade counter
module top_module (
input clk,
input reset, // Synchronous active-high reset
output [3:0] q);
always @(posedge clk) begin
if(reset || q >= 9)
q <= 0;
else
q <= q + 1;
end
endmodule
这个通过修改复位信号，来达到模n计数器的方法，也就是所谓的反馈复位法。
5.2.2.3 Decade counter again
module top_module (
input clk,
input reset,
output [3:0] q);
always @(posedge clk) begin
if(reset || q >= 4'd10)
q <= 4'd1;
else
q <= q + 4'd1;
end
endmodule
5.2.2.4 Slow decade counter
module top_module (
input clk,
input slowena,
input reset,
output [3:0] q);
reg [3:0] cnt, nextCnt;
always @(posedge clk) begin
if(reset)
cnt <= 0;
else
cnt <= nextCnt;
end
always @(*) begin
if(slowena) begin
if(cnt == 9)
nextCnt = 0;
else
nextCnt = cnt + 1;
end
else
nextCnt = cnt;
end
assign q = cnt;
endmodule
带有使能端的计数器的标准写法。
5.2.2.5 Counter 1-12
module top_module (
input clk,
input reset,
input enable,
output [3:0] Q,
output c_enable,
output c_load,
output [3:0] c_d
); //
count4 the_counter (clk, c_enable, c_load, c_d, Q);
assign c_enable = enable;
assign c_load = reset || Q == 4'd12 && enable == 1;
assign c_d = c_load? 1:0;
endmodule
这道题没看懂。
5.2.2.6 Counter 1000
module top_module (
input clk,
input reset,
output OneHertz,
output reg [2:0] c_enable
); //
reg [3:0] q0, q1, q2;
always @(*) begin
if(reset)
c_enable = 3'b001;
else begin
if(q1 == 4'd9 && q0 == 4'd9)
c_enable = 3'b111;
else if(q0 == 4'd9)
c_enable = 3'b011;
else
c_enable = 3'b001;
end
end
assign OneHertz = (q2==4'd9 && q1==4'd9 && q0==4'd9);
bcdcount counter0 (clk, reset, c_enable[0], q0);
bcdcount counter1 (clk, reset, c_enable[1], q1);
bcdcount counter2 (clk, reset, c_enable[2], q2);
endmodule
这道题是一个用三个十计数器拼成一个千计数器的例子，还是非常厉害的，用不同的控制信号c_enable，来使三个计数器处于工作或者停止的状态，符合十进制进位。而且还别5.2.2.8简单。
5.2.2.7 4-digit decimal counter
module top_module (
input clk,
input reset, // Synchronous active-high reset
output [3:1] ena,
output [15:0] q);
//这里用到了循环生成语句，值得一写，好吧，没法用
BCDCounter cnt0(clk, reset, 1, q[3:0]);
BCDCounter cnt1(clk, reset, q[3:0] == 9, q[7:4]);
BCDCounter cnt2(clk, reset, q[7:4] == 9 && q[3:0] == 9, q[11:8]);
BCDCounter cnt3(clk, reset, q[11:8] == 9 && q[7:4] == 9 && q[3:0] == 9, q[15:12]);
assign ena = {q[11:8] == 9 && q[7:4] == 9 && q[3:0] == 9, q[7:4] == 9 && q[3:0] == 9, q[3:0] == 9};
endmodule
module BCDCounter (
input clk,
input reset, // Synchronous active-high reset
input ena,
output [3:0] q);
reg [3:0] nextQ;
always @(*) begin
if(q == 9)
nextQ = 0;
else
nextQ = q + 1;
end
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 0;
else if(ena)
q <= nextQ;
end
endmodule
一个BCD的计数器，还是在ena端做文章，只有在达到某些条件的情况下，才能ena。
5.2.2.8 12-hour clock
module top_module(
input clk,
input reset,
input ena,
output pm,
output [7:0] hh,
output [7:0] mm,
output [7:0] ss);
//要讲一下严谨的问题，还要讲模块wire输出的问题，还有仿真操作
wire [3:0] m_ten, m_one, s_ten, s_one;
assign ss = {s_ten, s_one};
assign mm = {m_ten, m_one};
BCDCounter ss_low(clk, reset, ena, s_one);
BCDCounter ss_high(clk, reset || ss == 8'h59, s_one == 4'h9 && ena, s_ten);
BCDCounter mm_low(clk, reset, ss == 8'h59 && ena, m_one);
BCDCounter mm_high(clk, reset || mm == 8'h59 && ss == 8'h59, m_one == 4'h9 && ss == 8'h59 && ena, m_ten);
reg [7:0] nextHh;
always @(posedge clk)
begin
if(reset)
hh <= 8'h12;
else
hh <= nextHh;
end
always @(*)
begin
if(ena && mm == 8'h59 && ss == 8'h59)
begin
if(hh == 8'h09)
nextHh = 8'h10;
else if(hh == 8'h10)
nextHh = 8'h11;
else if(hh == 8'h11)
nextHh = 8'h12;
else if(hh == 8'h12)
nextHh = 8'h01;
else
nextHh = hh + 1;
end
else
nextHh = hh;
end
always @(posedge clk )
begin
if (reset)
pm <= 0;
else if(hh == 8'h11 && mm == 8'h59 && ss == 8'h59)
pm = ~pm;
end
endmodule
module BCDCounter (
input clk,
input reset,
input ena,
output reg [3:0] q);
reg [3:0] nextQ;
always @(*) begin
if(q == 9)
nextQ = 0;
else
nextQ = q + 1;
end
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 0;
else if(ena)
q <= nextQ;
end
endmodule
这道题的思路是用十进制计数器模拟出模6和模10计数器，可以用反馈复位法获得模6计数器，但是模12计数器是没有办法获得的，所以需要另外写一个（其实也可以，但是进位进制和反馈机制过于复杂，而且赋初值的操作除非增设端口，不然也不容易实现）。
这道题还需要模块的输出端口连接的必须是wire类型，如果是reg类型，会出现x值，但是在HDLBits中不容易发现，因为它不会报错，也能通过测评。
这是一个使能端有效时才计数的钟表，不能认为ena信号只需要传入到秒针的个位，而是应该传到每一位，不然在59s时候，就是没有ena，前面的分针和时针依然会计数，这就与设计不符了。
此外，在这道题中为了模拟的好，需要更多周期的模拟，在这里系统介绍一下模拟的时间调整方法：
timescale的格式如下
`timescale 1ns / 1ps
其中前一个代表时间单元是1ns，而后面代表时间精度是1ps。需要多一句嘴的是，这里的数值只能是1、10、100，而且时间单元必须大于等于时间精度。我们常用的是前面的时间单元，比如我们说#5，指的就是延时五个时间单元，在这个指令下就是延时5ns。
我们可以通过修改时间单位的值来达到增加仿真总周期的目的，比如我写了一个时钟，一个周期走一秒，默认时只能运行1分多钟，如图
但是如果我把时间单位修改为1ps，就会发现运行了三个多小时：
这是因为模拟时间是固定的，单位小的话，周期就多了。但是这个方法不是正途，正确的解决办法是修改这个参数
然后就可以多仿真几个周期了，像这个我扩大了两倍，可以看到运行了七个多小时
5.2.3 Shifter Register
5.2.3.1 4-bit shift register
module top_module(
input clk,
input areset, // async active-high reset to zero
input load,
input ena,
input [3:0] data,
output reg [3:0] q);
reg [3:0] nextQ;
always @(posedge clk, posedge areset)begin
if(areset)
q <= 0;
else
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
if(load)
nextQ = data;
else if(ena)
nextQ = {1'b0, q[3:1]};
else
nextQ = q;
end
endmodule
这是一个逻辑右移寄存器。
5.2.3.2 Left/right rotator
module top_module(
input clk,
input load,
input [1:0] ena,
input [99:0] data,
output reg [99:0] q);
reg [99:0] nextQ;
always @(posedge clk) begin
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
if(load)
nextQ = data;
else if(ena == 2'b01)
nextQ = {q[0], q[99:1]};
else if(ena == 2'b10)
nextQ = {q[98:0], q[99]};
else
nextQ = q;
end
endmodule
5.2.3.3 Left/right arithmetic shift by 1 or 8
module top_module(
input clk,
input load,
input ena,
input [1:0] amount,
input [63:0] data,
output reg [63:0] q);
reg [63:0] nextQ;
always @(posedge clk) begin
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
if(load)
nextQ = data;
else if(ena) begin
case(amount)
2'b00:
nextQ = {q[62:0], 1'b0};
2'b01:
nextQ = {q[55:0], 8'h0};
2'b10:
nextQ = {q[63], q[63:1]};
2'b11:
nextQ = {
{8{q[63]}}, q[63:8]};
endcase
end
else
nextQ = q;
end
endmodule
算数右移的实质就是在右端复制符号位，有数学知识如下：
对于算数移位，算数左移与逻辑左移相同，但是算数右移对于左侧空出的位，补得是与最左位相同的值，比如 -5 的二进制编码是 1011，那么左移一位完了就是1101, 3的二进制编码是 0011， 那么右移完了就是 0001 ，为什么会这么设置呢？是因为这样是符合算数规律的，比如 1101 （补码）的十进制就是 -3，刚好是 -5/2 = -2.5 向下取整的结果，这是为什么呢，我们只证明右移一位的情况，然后用数学归纳法来证明右移多位的情形，对于一个四位的负数，比如他是 abcd（二进制补码），那么它其实就是
− a ⋅ 2 3 + b ⋅ 2 2 + c ⋅ 2 1 + d ⋅ 2 0 -a\cdot 2^3 +b\cdot 2^2 + c\cdot 2^1 + d\cdot 2^0 −a⋅23+b⋅22+c⋅21+d⋅20
当进行完移位以后，就是
− a ⋅ 2 3 + a ⋅ 2 2 + b ⋅ 2 1 + c ⋅ 2 0 = − a ⋅ 2 2 + b ⋅ 2 1 + c ⋅ 2 0 -a\cdot 2^3 +a\cdot 2^2 + b\cdot 2^1 + c\cdot 2^0 = -a\cdot 2^2 + b\cdot 2^1 + c\cdot 2^0 −a⋅23+a⋅22+b⋅21+c⋅20=−a⋅22+b⋅21+c⋅20
当直接在十进制下除以2（整数除法），得到的结果是这样的
( − a ⋅ 2 3 + b ⋅ 2 2 + c ⋅ 2 1 + d ⋅ 2 0 ) / 2 = − a ⋅ 2 2 + b ⋅ 2 1 + c ⋅ 2 0 (-a\cdot 2^3 +b\cdot 2^2 + c\cdot 2^1 + d\cdot 2^0)/2 = -a\cdot 2^2 + b\cdot 2^1 + c\cdot 2^0 (−a⋅23+b⋅22+c⋅21+d⋅20)/2=−a⋅22+b⋅21+c⋅20
两者刚好相同。
5.2.3.4 5-bitLFSR
module top_module(
input clk,
input reset, // Active-high synchronous reset to 5'h1
output [4:0] q
);
reg [4:0] nextQ;
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 5'h1;
else
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
nextQ = {q[0] ^ 1'b0, q[4], q[3] ^ q[0], q[2], q[1]};
end
endmodule
电路实现起来是很简单的，但是可以补充一下关于线性反馈移位寄存器（LFSR）的知识。
LFSR常在数字电路中产生伪随机数，寄存器的初始值叫做种子，种子应该是非零的，但是伪随机数是有周期的，不奇怪，因为寄存器的位数是定值。
5.2.3.5 3-bitLFSR
module top_module (
input [2:0] SW, // R
input [1:0] KEY, // L and clk
output [2:0] LEDR); // Q
wire clk, L;
wire [2:0] R;
reg [2:0] q, nextQ;
assign clk = KEY[0];
assign L = KEY[1];
assign R = SW;
assign LEDR = q;
always @(posedge clk) begin
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
if(L)
nextQ = R;
else
nextQ = {q[2] ^ q[1], q[0], q[2]};
end
endmodule
5.2.3.6 32-bitLFSR
module top_module(
input clk,
input reset, // Active-high synchronous reset to 32'h1
output reg [31:0] q
);
reg [31:0] nextQ;
always @(posedge clk) begin
if(reset)
q <= 32'h1;
else
q <= nextQ;
end
//这种赋值方式可以借鉴
always @(*) begin
nextQ = {q[0], q[31:1]};
nextQ[31] = 1'b0 ^ q[0];
nextQ[21] = q[22] ^ q[0];
nextQ[1] = q[2] ^ q[0];
nextQ[0] = q[1] ^ q[0];
end
endmodule
这种做法还是很值得学习的，有的时候，我们可能一步没法达到目标（或者说达到目标过于繁琐），不如先达到一个差不多的目标，再对细节做调整。
5.2.3.7 shift register
module top_module (
input clk,
input resetn, // synchronous reset
input in,
output out);
reg [3:0] q, nextQ;
always @(posedge clk) begin
if(~resetn)
q <= 4'd0;
else
q <= nextQ;
end
always @(*) begin
nextQ = {in, q[3:1]};
end
assign out = q[0];
endmodule
移位寄存器的标准写法。
5.2.3.8 shift register
module top_module (
input [3:0] SW,
input [3:0] KEY,
output [3:0] LEDR
); //
reg q1,q2,q3,q4;
MUXDFF n4(
.clk(KEY[0]),
.ain(KEY[3]),
.bin(LEDR[3]),
.cin(SW[3]),
.sel1(KEY[1]),
.sel2(KEY[2]),
.dout(q4)
);
MUXDFF n3(
.clk(KEY[0]),
.ain(q4),
.bin(LEDR[2]),
.cin(SW[2]),
.sel1(KEY[1]),
.sel2(KEY[2]),
.dout(q3)
);
MUXDFF n2(
.clk(KEY[0]),
.ain(q3),
.bin(LEDR[1]),
.cin(SW[1]),
.sel1(KEY[1]),
.sel2(KEY[2]),
.dout(q2)
);
MUXDFF n1(
.clk(KEY[0]),
.ain(q2),
.bin(LEDR[0]),
.cin(SW[0]),
.sel1(KEY[1]),
.sel2(KEY[2]),
.dout(q1)
);
assign LEDR = {q4,q3,q2,q1};
endmodule
module MUXDFF (
input clk,
input ain,
input bin,
input cin,
input sel1,
input sel2,
output dout);
always @ (posedge clk)
begin
dout <= sel2? cin:
sel1? ain:bin;
end
endmodule
3-input LUT
module top_module (
input clk,
input enable,
input S,
input A, B, C,
output Z );
reg [7:0] q;
always @(*) begin
case({A, B, C})
0:
Z = q[0];
1:
Z = q[1];
2:
Z = q[2];
3:
Z = q[3];
4:
Z = q[4];
5:
Z = q[5];
6:
Z = q[6];
7:
Z = q[7];
endcase
end
always @(posedge clk) begin
if(enable)
q[7:0] <= {q[6:0], S};
end
endmodule
LUT是look-up table的意思，但是这道题显然没有LUT的精髓，不做也罢。
5.2.4 More Circuits
5.2.4.1 Rule 90
module top_module(
input clk,
input load,
input [511:0] data,
output [511:0] q );
always @ (posedge clk)
begin
if (load)
q <= data;
else
begin
q <= {1'b0, q[511:1]} ^ {q[510:0] ,1'b0};
end
end
endmodule
后面的三道题都是元胞自动机，但是其实都是很普通的例子。
5.2.4.2 Rule 110
module top_module(
input clk,
input load,
input [511:0] data,
output [511:0] q
);
wire [511:0] q_left, q_right;
assign q_left = {1'b0,q[511:1]};
assign q_right = {q[510:0],1'b0};
always@(posedge clk) begin
if(load)
q <= data;
else begin
q <= (q & ~q_right) | (~q_left & q_right) | (~q & q_right);
end
end
endmodule
5.2.4.3 Conway‘s Game of Life 16*16
module top_module(
input clk,
input load,
input [255:0] data,
output [255:0] q );
reg [323:0] data_padding; //18*18
wire [255:0] q_next;
integer i,j,neighbour_cnt;
//在这道题目中，可以看到整数是可以代替一些寄存器功能的
always @(*)
begin
//补全
data_padding[17:0] = {q[240],q[255:240],q[255]};
data_padding[323:306] = {q[0],q[15:0],q[15]};
for(i=1;i<17;i=i+1) begin
data_padding[i*18 +:18] = {q[(i-1)*16],q[(i-1)*16 +: 16],q[i*16-1]};
end
//count and update
for(i=0;i<16;i=i+1) begin
for(j=0;j<16;j=j+1) begin
neighbour_cnt = data_padding[(i+1)*18+j+1-1]+data_padding[(i+1)*18+j+1+1]+data_padding[i*18+j+1-1]+data_padding[i*18+j+1]+data_padding[i*18+j+1+1]+data_padding[(i+2)*18+j+1-1]+data_padding[(i+2)*18+j+1]+data_padding[(i+2)*18+j+1+1];
if(neighbour_cnt <= 1 | neighbour_cnt >=4)
q_next[i*16+j] = 0;
else if(neighbour_cnt == 3)
q_next[i*16+j] = 1;
else
q_next[i*16+j] = q[i*16+j]; //not change
end
end
end
always @(posedge clk)
begin
if(load)
q <= data;
else
q <= q_next;
end
endmodule
这个题目值得很好的研究，里面涉及了运用for和整数描述行为，二维展成一位的操作。
5.2.5 Finite State Machines
待补全，抱歉
5.3 Building Larger Circuits
待补全，抱歉
六、Verification：Reading Simulation
待补全，抱歉
七、Verification：Writing Testbenches
7.1 clock
module top_module ( );
reg clk;
initial begin
clk = 0;
end
always #5 clk = ~clk;
dut uut(clk);
endmodule
关于如何书写testbench，之前是写过一篇文章的，但是那篇文章提到的问题依然存在，就是写的不多，没有经过很多的考验，这里附上地址http://cscore.buaa.edu.cn/#/discussion_area/151/posts
7.2 Testbench1
module top_module ( output reg A, output reg B );//
// generate input patterns here
initial begin
A = 0;
B = 0;
#10 A = 1;
#5 B = 1;
#5 A = 0;
#20 B = 0;
end
endmodule
7.3 AND gate
module top_module();
wire out;
reg [1:0] in;
andgate uut(in, out);
initial begin
in = 0;
#10 in = 1;
#10 in = 2;
#10 in = 3;
end
endmodule
有关联的输入引脚可以合在一起，一并赋值。
7.4 Testbench2
module top_module();
reg clk;
reg in;
reg [2:0] s;
wire out;
q7 uut(clk, in, s, out);
initial begin
clk = 0;
in = 0;
s = 2;
#10
s = 6;
#10
in = 1;
s = 2;
#10
in = 0;
s = 7;
#10
in = 1;
s = 0;
#30
in = 0;
end
always #5 clk = ~clk;
endmodule
这种写法我不太喜欢，如果让我再写一次的话，我会写两个initial块，分别对in和s进行控制。
7.5 T flip-flop
module top_module ();
reg clk;
reg reset;
reg t;
wire q;
tff u1_tff(
.clk(clk),
.reset(reset),
.t(t),
.q(q)
);
//clk
initial begin
clk = 1'b0;
end
always begin
#5
clk = ~clk;
end
//reset
initial begin
reset = 1'b0;
#3;
reset = 1'b1;
#10;
reset = 1'b0;
end
always@(posedge clk)begin
if(reset)begin
t <= 1'b0;
end
else begin
t <= 1'b1;
end
end
endmodule
八、写在结尾的话
写完以后心里空落落的，大致过了一遍，写的这是啥呀，都想自己抽自己大嘴巴子。反正最后还是发出来了，大家看个乐呵就好了。
在此特别鸣谢：
- 叶焯仁哥哥
- 刘传哥哥
- 郭鸿宇
还有我刷题的时候对面的姑娘
- 粉黛
- 娃娃量
- 发带
- 熊猫眼
- 葡萄
- 飞猫
- 小鼻子