Verilog HDL 简介与基本语法（1）

FPGA学习 阶段一：Verilog HDL 简介与基本语法（1）

¶FPGA硬件开发路线学习规划：

由于想学习FPGA的相关内容，同时给数字电路打点基础，于是借助着B站上西安电子科技大学的视频开始学习Verilog HDL这门硬件描述语言，在学完语言后，将按照**《FPGA设计技巧与案例开发详解》**这本书上的相关内容在一块核心为Altera Cyclone IV的开发板上完成基本例程，之后在网上寻找相关项目学习、开发

¶1. Verilog的基本概念

• Verilog是一门类C语言，语法非常接近C，将电路设计转变为程序设计
• Verilog的代码对应的是现实中的一个硬件，这个过程叫“综合”，类似于C语言的编译
• Verilog的代码是并行执行的

¶2. Verilog HDL基础知识

¶2.1 Verilog HDL语言要素

¶2.1.1 空白符

空白符包括空格符\b、制表符\t、换行符\n、和换页符\f。在编译和综合时，空白符被忽略：

initial begin a = 3'b100; b = 3'b010; end

equals to:

initial
begin
    a = 3'b100;
    b = 3'b010;
end

¶2.1.2 注释符

注释与C语言相同，单行注释用//，多行注释用/* */

¶2.1.3 标识符

标识符命名规则与C语言基本相同，只允许出现字母、数字、$符号和_ 下划线，第一个字符必须是字母或 _下划线

¶2.1.4 数值

• Verilog HDL有四种基本的逻辑数值状态：

状态	含义
0	低电平、逻辑0、“假”
1	高电平、逻辑1、“真”
x或X	不确定或未知的逻辑状态
z或Z	高阻态

备注：高阻态High impedance表示电路中的某个节点具有相对电路中其他点相对更高的阻抗
电路分析时高阻态可做开路理解。可以把它看作输出(输入)电阻非常大。它的极限状态可以认为悬空(开路)。

当门电路的输出上拉管导通而下拉管截止时,输出为高电平;反之就是低电平;如上拉管和下拉管都截止时,输出端就相当于浮空(没有电流流动),其电平随外部电平高低而定,即该门电路放弃对输出端电路的控制 。

• 整数及其表示

+/-(size>'<base_format><number>

数制	基数符号	合法标识符
二进制	b或B	0、1、x、X、z、Z、？、_
八进制	o或O	0~7、x、X、z、Z、？、_
十进制	d或D	0~9、_
十六进制	h或H	09、af、A~F、x、X、z、Z、？、_

//正确的表示
8'b10001101 //位宽为8位的二进制数10001101
8'ha6       //位宽为8位的十六进制数a6
5'o35       //位宽为5位的八进制数35
4'd6        //位宽为4位的十进制数6
4'b1x_01    //位宽为4位的二进制数1x01

//错误的表示
4'd-4       //数值不能为负，有负号应放在最左边
3' b001     //'和基数b之间不能有空格
(4+4)'b11   //位宽不能是表达式

• 实数及其表示
  和C语言相同：
  a.十进制表示法，小数点两边必须都有数字
  b.科学计数法

2.7                 //十进制计数法
5.2e8               //科学计数法
3.5E-6              //e和E意义相同
5_4582.2158_5896    //使用下划线可提高可读性
6.                  //非法表示
.3e5                //非法表示

¶2.2 物理数据类型

物理数据类型有连线型、寄存器型和储存器型

¶2.2.1 信号强度

信号强度表示数字电路中不同强度的驱动源，用来解决不同驱动强度存在下的赋值冲突：

标记符	名称	类型	强弱程度
supply	电源级驱动	驱动	最强
strong	强驱动	驱动	强
pull	上拉级驱动	驱动	较强
large	大容性	存储	中强
weak	弱驱动	驱动	中
medium	中性驱动	存储	较弱
small	小容性	存储	弱
highz	高容性	高阻	最弱

¶2.2.2 连线型

连线型数据类型	功能说明
wire,tri	标准连线（缺省视为该类型）
wor,trior	多重驱动时，具有线或特性的连线型
wand,trand	多重驱动时，具有线与特性的连线型
trireg	具有电荷保持特性的连线型数据（特例）
tri1	上拉电阻
tri0	下拉电阻
supply1	电源线，用于对电源建模，为高电平1
supply0	电源线，用于对“地”建模，为低电平0

• 单连线之间的逻辑wire和tri

wire/tri	0	1	x	z
0	0	x	x	0
1	x	1	x	1
x	x	x	x	x
z	0	1	x	z

• 含有线或时连线之间的逻辑

wor/trior	0	1	x	z
0	0	1	x	0
1	1	1	1	1
x	x	1	x	x
z	0	1	x	z

¶2.2.3 连续型数据类型的声明

<net_declar><drive_strength><range><delay><list_of_variables>;

• net_declar：包括wire、tri等等连线型中的任意一种
• dirve_strength:用来表示连线变量的驱动强度
• rang：用来指定数据位标量或矢量。若该项默认，表示数据类型为1位的标量，超过1位则为矢量
• delay：指定仿真延迟时间
• list_of_variables：变量名称，一次可定义多个名称，用逗号分开

¶2.2.4 寄存器型

reg型是数据储存单元的抽象类型，其对应的硬件电路原件具有状态保持作用，能够存储数据，如触发器、锁存器等
reg型变量常用于行为级描述，由过程赋值语句对其进行赋值

//reg型变量简单例子：
reg a;          //定义一个1位的名为'a'的reg变量
reg[3:0]b;      //定义一个4位的名为'b'的reg变量
reg[8:1]c,d,e;  定义三个名称分别为c、d、e的8位reg型变量

//reg型变量一般为无符号数，若将一个负数赋给reg型变量，则自动转换成二进制补码形式。例如：
reg signed[3:0]rega;
rega = -2;      //rega的值为1110(14)，是2的补码

¶2.2.5 寄存器型数据类型的声明

reg<range><list_of_register_variables>;

• range：可选项，它指定了reg型变量的位宽，缺省时为1位
• list_of_register_variables：为变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开

¶2.2.6 物理数据类型声明的例子

reg rega;           //定义一个1位寄存器型变量
reg[7:0] regb;      //定义一个8位的寄存器型变量
tri[7:0] tribus;    //定义一个8位的三态总线
tri0[15:0] busa;    //定义一个16位连线型，处于三态时为下拉电阻
tri1[31:0] busb;    //定义一个32位连线型，处于三态时为上拉电阻
reg scalared[1:4] b;//定义一个4位的标量型储存器矢量
wire(pull1,strong0) c = a + b;  //定义一个1和0的驱动强度不同的1位连线型变量c
trireg(large) storeline;        //定义一个具有大强度的电荷存储功能的存储线

/*在数字电路中，三态逻辑(英语:Three-state logic)允许输出端在0和1两种逻辑电平之外呈现高阻态，等效于将输出的影响从后级电路中移除。
这允许多个电路共同使用同一个输出线，例如总线结构
在总线连接的结构上。总线上挂有多个设备，设备与总线以高阻的形式连接。这样在设备不占用总线时自动释放总线，以方便其他设备获得总线的使用权.*/

¶2.2.7 存储器型

储存器型变量可以描述RAM型、ROM型储存器以及reg文件
储存器变量的一般声明格式为：
reg<range1><name_of_register><range2>

• range1和range2都是可选项，缺省都为1
• range1：表示存储器当中寄存器的位宽，格式为[msb:lsb]
• range2：表示寄存器的个数，格式为[msb:lsb]，即拥有msb-lsb+1个
• name_of_registers：变量名称，一次可以定义多个名称，之间用逗号隔开

reg[7:0] mem1[255:0];           //定义了一个有256个8位寄存器的存储器mem1
                                //地址范围是0到255
reg[15:0] mem2[127:0],reg1,reg2;//定义了一个具有128个16位寄存器的储存器mem2和两个16位寄存器reg1和reg2
reg[n-1:0] a;                   //表示一个n位寄存器a
reg mem1[n-1:0]                 //表示一个由n个1位寄存器构成的存储器mem1

¶2.3 抽象数据类型

抽象数据类型主要包括整型integer、时间型time、实型real及参数型parameter

¶2.3.1 整型

integer<list—of—register—variables>;

integer index;          //简单的32位有符号整数
integer i[31:0];        //定义了整型数组，它有32个元素

¶2.3.2 时间型

时间型数据与整型数据相似，只是它是64位无符号数。时间型数据主要用于对模拟时间的储存与计算处理，常与系统函数$time一起使用。
声明格式：
time<list_of_register_variables>

time a,b;           //定义了两个64位的时间型变量

¶2.3.3 实数型

实数型数据在机器码表示法中是浮点型数值，可用于对延迟时间的计算
声明格式：
real<list_of_variables>

real stime;         //定义了一个实数型数据

####2.3.4 参数型
属于常量，在仿真开始之前就被赋值，在仿真过程中保持不变，以提高程序的可读性和维护性
声明格式：
parameter<name_of_parameter>=<value>

parameter length = 32,weight = 16;
parameter PI = 3.14,LOAD = 4'b1101;
parameter DELAY=(BYTE+BIT)/2;

¶2.3 运算符和表达式

¶2.3.1 算术运算符

算术运算符包含加法+；减法-；乘法*；除法/；取模%

1. 算术操作结果的算术表达式的结果由最长的操作数决定。在赋值语句下，算术操作结果的长度由操作左端目标长度决定

reg[3:0] A,B,C;
reg[5:0] D;
A = B + C;      //4位
D = B + C;      //6位

2. 有符号数和无符号数的使用

module arith_tb;
reg[3:0] a;
reg[2:0] b;
initial
    begin
        a = 4'b1111;        //15
        b = 3'b011;         //3
        $display("%b",a*b)  //乘法运算，结果等于4'b1101,高位被舍去
        $display("%b",a/b); //除法运算，结果为4'b0101
        $display("%b",a+b); //加法运算，结果为4'b0010
        $diaplay("%b",a-b); //减法运算，结果为4'b0010
        $diaplay("%b",a%b); //取模运算，结果为4'b0000
    end
endmodule
/*注意：二进制的减法先补全位数，使两个数同位，然后再取补码，
正二进制数的补码是它本身，
负二进制数的补码是它取反后加1*/

¶2.3.2 相等关系运算符

1. 等于==、不等于！=、全等===、非全等！==
2. 比较的结果有三种，真1、假0、不定值x

• ==真值表

==	0	1	x	z
0	1	0	x	x
1	0	1	x	x
x	x	x	x	x
z	x	x	x	x

• ===真值表

===	0	1	x	z
0	1	0	0	0
1	0	1	0	0
x	0	0	1	0
z	0	0	0	1

¶2.3.3 条件运算符

表达形式如下：
条件表达式? 表达式1 : 表达式2
条件表达式的计算结果只有1,0和x三种，结果为1时执行表达式1；结果为0时执行表达式2

module mux2(in1,in2,sel,out);
    input [3:0] in1,in2;
    input sel;
    output [3:0] out;
    reg [3:0] out;
    assign out = (sel!)?in1:in2;
    //sel为0时out等于in1，反之等于in2
endmodule

¶2.3.4 连接和复制运算符

• 连接运算符

{信号1的某几位，信号2的某几位，...，信号n的某几位}

• 复制操作符
  将一个表达式放入双重花括号中，复制因子放在第一层括号中

module con_rep_tb;
reg [2:0] a;
reg [3:0] b;
reg [7:0] c;
reg [4:0] d;
reg [5:0] e;
initial
    begin
    a = 3'b101;
    b = 4'b1110;
    c = {a,b};
    d = {a[2:1],b[2:0]};//d取了a的第3位到2位与b的第3位到1位拼接
    e = {2{a}};
    $display("%b",c);   //8'b01011110
    $display("%b",d);   //5'b10110
    $display("%b",e);   //6'b101101
    end
endmodule

¶2.4 模块

¶2.4.1 模块的基本概念

1. 模块(module)是Veril HDL语言的基本单元，它代表一个基本的功能块，用于描述某个设计的功能或结构以及与其他模块通信的外部接口
   
2. 一个模块主要包括：

• 模块的开始与结束：以关键词module开始，以关键词endmodule结束的一段程序，其中模块开始语句必须要以分号结束
• 端口定义：用来定义端口列表里的变量哪些是输入(input)、输出(output)和双向端口(inout)以及位宽的说明。
• 数据类型说明：数据类型在语言上包括wire、reg、memory和parameter等类型，用来说明模块中所用到的内部信号、调用模块等的声明语句和功能定义语句
• 逻辑功能描述：用来产生各种逻辑(主要是组合逻和时序逻辑)。主要包括以下部分：initial语句、always语句、其它子模块实例化语句、门实例化语句、用户自定义原句(UDP)实例化语句、连续赋值语句(assign)、函数(function)和任务(task)
  例：上升沿D触发器

module dff(din,clk,q);
    input din,clk;
    output q;
    reg q;
    always@(posedge clk)    //posedge指D触发器上升沿触发
        q <= din;
endmodule

¶2.4.2 端口

端口的定义：
模块的端口可以是输入口input、输出端口output或双向端口inout
模块的端口声明了模块的输入输出口。其格式如下：
module 模块名(口1,口2,…)
模块的端口表示的是模块的输入和输出口名，也就是说，它与别的模块联系端口的标识。
在模块被引用时，在引用的模块中，有些信号要输入到被引用的模块中，有的信号需要从被引用的模块中取出来。在引用模块时其端口可以用两种方法连接：

1. 在引用时严格按照模块定义的端口顺序来连接，不用标明原模块定义时规定的端口名，例如：
   模块名(连接端口1信号名，连接端口2信号名，...)
2. 在引用时用“.”符号，标明原模块是定义时规定的端口名，例如：
   模块名(.端口1名(连接信号1名)，.端口2名(连接信号2名)，...)
   这样的好处在于可以用端口名与被引用模块的端口相对应，而不必严格按端口顺序对应，提高了程序的可读性和可移植性。