Verilog HDL数据流建模与运算符

⭐本专栏针对FPGA进行入门学习，从数电中常见的逻辑代数讲起，结合Verilog HDL语言学习与仿真，主要对组合逻辑电路与时序逻辑电路进行分析与设计，对状态机FSM进行剖析与建模。
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对于基本单元逻辑电路，使用Verilog语言提供的门级元件模型描述电路非常方便。

但随着电路复杂性的增加，使用的逻辑门较多时，使用HDL门级描述的工作效率就很低。

数据流建模能够在较高的抽象级别描述电路的逻辑功能，并且通过逻辑综合软件，能够自动地将数据流描述转换成为门级电路。

数据流建模主要使用逻辑表达式，所以要了解各种运算符和表达式。

数据流建模

数据流建模使用的连续赋值语句，由关键词assign开始，后面跟着由操作数和运算符等组成的逻辑表达式。

一般用法如下：

wire [位宽说明] 变量名1，变量名2，……，变量名n；
assign 变量名＝表达式；

注意，assign 语句只能对wire型变量进行赋值，所以等号左边变量名的数据类型必须是wire型。

例：用数据流描述方式建立模型

$Y=D_{0} \cdot \bar{S}+D_{1} \cdot S$

module mux2to1_dataflow(D0, D1, S, Y );
  input D0, D1, S;  
  output Y;
  wire Y ; 

//下面是逻辑功能描述
  assign Y = (~S & D0) | (S & D1);  //表达式左边Y必须是wire型

endmodule

例：用条件运算符描述2选1的数据选择器。

module mux2x1_df (D0,D1,S,L);
   input D0,D1,S;
   output L;

   assign L = S ? D1 : D0;

endmodule

条件运算符：如果S＝1，则输出L＝D1；否则L＝D0。

例：用数据流建模方法对2线-4线译码器的行为进行描述。

module decoder_df (A1,A0,E,Y);
   input A1,A0,E;
   output [3:0] Y;
       assign Y[0] = ~(~A1 & ~A0 & ~E);
       assign Y[1] = ~(~A1 &   A0 & ~E);
       assign Y[2] = ~(  A1 & ~A0 & ~E);
       assign Y[3] = ~(  A1 &   A0 & ~E);
endmodule

运算符及其优先级

运算符 (9类)

位拼接运算符

作用是将两个或多个信号的某些位拼接起来成为一个新的操作数，进行运算操作。

设A=1’b1，B=2’b10，C=2’b00

则{B,C}＝4’b1000
{A,B[1],C[0]}＝3’b110
{A,B,C,3’b101}=8’b11000101。

对同一个操作数的重复拼接还可以双重大括号构成的运算符{{}}

例如{4{A}}=4’b1111，{2{A},2{B},C}=8’b11101000。

A：4’b1010 、B：4’b1111，

相等与全等运算符

＝＝（逻辑相等）， !＝（逻辑不等）
＝＝＝（条件全等），!＝＝（条件不全等）

a、b的初值同为4’b0100，c和d的初值同为4’b10x0

a= =b	a!=b	a= = =b	a!= =b
1	0	1	0
c= =d	c!=d	c= = =d	c!= =d
x	x	1	0

条件运算符

是三目运算符，运算时根据条件表达式的值选择表达式。

一般用法：

condition_expr ? expr1 : expr2;

首先计算第一个操作数condition_expr的值，如果结果为逻辑1，则选择第二个操作数expr1的值作为结果返回；如果结果为逻辑0，则选择第三个操作数expr2的值作为结果返回。

运算符的优先级

优先级的顺序从下向上依次增加。

类型	符号	优先级别
取反	! ~ -(求2的补码)	最高优先级
算术	* / + -
移位	>> <<
关系	< <= > >=
等于	== !=
缩位	& ~& ^ ^~ **\	~\	**
逻辑	&& **\	\	**
条件	?:	最低优先级

参考文献：

Verilog HDL与FPGA数字系统设计，罗杰，机械工业出版社，2015年04月
Verilog HDL与CPLD/FPGA项目开发教程(第2版), 聂章龙, 机械工业出版社, 2015年12月
Verilog HDL数字设计与综合(第2版), Samir Palnitkar著，夏宇闻等译, 电子工业出版社, 2015年08月
Verilog HDL入门(第3版), J. BHASKER 著夏宇闻甘伟译, 北京航空航天大学出版社, 2019年03月

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