Verilog HDL能干啥？

Verilog HDL的特點(diǎn)：

• 可描述順序執(zhí)行或并行執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)
• 用延遲表達(dá)式或事件表達(dá)式來(lái)明確地控制過(guò)程的啟動(dòng)時(shí)間
• 通過(guò)命令的事件來(lái)觸發(fā)其他過(guò)程的激活行為或停止行為
• 提供了條件/循環(huán)等邏輯控制結(jié)構(gòu)
• 提供了可帶參數(shù)且非零延續(xù)時(shí)間的任務(wù)程序機(jī)構(gòu)
• 提供了用于建立表達(dá)式的算術(shù)運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符和位運(yùn)算符
• 實(shí)現(xiàn)了完整的表示組合邏輯基本元件的原語(yǔ)
• 提供了雙向通路和電阻器的描述
• 可建立MOS器件的電荷分享和衰減模型
• 可通過(guò)結(jié)構(gòu)性語(yǔ)句精確地建立信號(hào)模型

在學(xué)習(xí)Verilog HDL之前，先明確一下FPGA的設(shè)計(jì)抽象層次：

基本程序結(jié)構(gòu)

module module_name(port_list)
    //聲明各種變量、信號(hào)
    reg  //寄存器
    wire //線網(wǎng)
    parameter //參數(shù)
    input  //輸入信號(hào)
    output //輸出信號(hào)
    inout  //輸入輸出信號(hào)
    function //函數(shù)
    task     //任務(wù)
    ....
        
    //程序代碼
    initial assignment
    always assignment
    module assignment
    gate   assignment
    UDP    assignment
    continous assignment
endmodule

啟示：描述的是模塊，其本質(zhì)是數(shù)字電路：

• 組合邏輯電路模塊：組合邏輯電路的特點(diǎn)是輸入的變化直接反映了輸出的變化，其輸出的狀態(tài)僅取決于輸入的當(dāng)前的狀態(tài)，與輸入、輸出的原始狀態(tài)無(wú)關(guān)。

• 時(shí)序邏輯電路模塊：時(shí)序電路具有記憶功能。時(shí)序電路的特點(diǎn)是：輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入值，而且還與電路過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)。時(shí)序邏輯電路又稱時(shí)序電路,主要由存儲(chǔ)電路和組合邏輯電路兩部分組成。

數(shù)據(jù)類型及運(yùn)算符

變量名

變量名類似C語(yǔ)言，以一組字母、數(shù)字、下劃線和$符號(hào)的組合，且首字符須為字母或者下劃線。如

input ctrl_1;

數(shù)據(jù)類型

將四種基本數(shù)據(jù)類型整理成一張導(dǎo)圖：

其中須注意的是，對(duì)于memory型存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫(xiě)，須指定地址，如：

reg[15:0] addr; //定義addr為16位位寬的存儲(chǔ)器變量
addr = 1;       //ok

reg addr[15:0]; //定義addr為1位位寬的16個(gè)存儲(chǔ)器變量
addr    = 1;    //錯(cuò)誤
addr[0] = 1;    //正確

//又如：
reg[15:0] addr[3:1]; //定義3個(gè)位寬為16位存儲(chǔ)器
addr[1] = 16'h0      //16'指定位寬，h 表示16進(jìn)制，0
addr[2] = 16'b011    //b表示二進(jìn)制

對(duì)于parameter變量的實(shí)用價(jià)值可讀性比較好理解，那么可維護(hù)性怎么體現(xiàn)呢？

熟悉C語(yǔ)言編程的，聯(lián)想一下宏，如果宏變了，有宏的地方全替換，這里parameter變量作用類似，如：

module Decode(A,F); 
parameter  Width=1, Polarity=1; 
…………… 
endmodule 
module  Top; 
wire[3:0] A4; 
wire[4:0] A5; 
wire[15:0] F16; 
wire[31:0] F32; 
Decode  #(4,0)  D1(A4,F16); 
Decode  #(5)    D2(A5,F32); 
Endmodule 

常量

parameter定義常量，那么對(duì)于常數(shù)，整型常量即整常數(shù)有以下四種進(jìn)制表示形式:

1. 二進(jìn)制整數(shù)(b或B)
2. 十進(jìn)制整數(shù)(d或D)
3. 十六進(jìn)制整數(shù)(h或H)
4. 八進(jìn)制整數(shù)(o或O)

數(shù)字表達(dá)方式有以下三種:

1. <位寬><進(jìn)制><數(shù)字>這是一種全面的描述方式。
2. <進(jìn)制><數(shù)字>在這種描述方式中,數(shù)字的位寬采用缺省位寬(這由具體的機(jī)器系統(tǒng)決定,但至少32位)。
3. <數(shù)字>在這種描述方式中,采用缺省進(jìn)制十進(jìn)制。

x和z值

在數(shù)字電路中,x代表不定值,z代表高阻值。不確定是啥？高阻又是啥？記住verilog描述的數(shù)字電路，那么對(duì)于一個(gè)模塊的I/O就有可能是高阻，或者狀態(tài)不確定。

負(fù)數(shù):

一個(gè)數(shù)字可以被定義為負(fù)數(shù),只需在位寬表達(dá)式前加一個(gè)減號(hào),減號(hào)必須寫(xiě)在數(shù)字定義表達(dá)式的最前面。注意減號(hào)不可以放在位寬和進(jìn)制之間也不可以放在進(jìn)制和具體的數(shù)之間。

-8'd7  //-號(hào)直接放在最前面
8'd-7  //這樣則不正確

實(shí)數(shù)

實(shí)數(shù)可用十進(jìn)制方式表述或者科學(xué)計(jì)數(shù)法描述，如：

//十進(jìn)制表示
1.0
20.234
//科學(xué)計(jì)數(shù)法表示
6e-4

模塊端口

• input:模塊從外界讀取數(shù)據(jù)的接口，在模塊內(nèi) 可讀不可寫(xiě)
• output:模塊向外部輸出數(shù)據(jù)的接口，模塊內(nèi)部 可寫(xiě)不可讀
• inout：可讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)。

學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言，一定要時(shí)刻記住，這是描述的是電路，風(fēng)格類C，但不是C！

表達(dá)式及運(yùn)算符

和C語(yǔ)言類似，運(yùn)算符也有三種：

• 單目運(yùn)算符(unary operator):可以帶一個(gè)操作數(shù),操作數(shù)放在運(yùn)算符的右邊。
• 二目運(yùn)算符(binary operator):可以帶二個(gè)操作數(shù),操作數(shù)放在運(yùn)算符的兩邊。
• 三目運(yùn)算符(ternary operator):可以帶三個(gè)操作,這三個(gè)操作數(shù)用三目運(yùn)算符分隔開(kāi)。

對(duì)于運(yùn)算符，整理了一張導(dǎo)圖：

大部分與C語(yǔ)言類似，除了等式運(yùn)算符、位拼接運(yùn)算符、縮減運(yùn)算符，這里放點(diǎn)例子方便理解：

//縮減運(yùn)算符
reg [3:0] B; 
reg C; 
C = &B; 
//相當(dāng)于： 
C =( (B[0]&B[1]) & B[2] ) & B[3]; 

//位拼接運(yùn)算符
{a,b[3:0],w,3’b101}
//相當(dāng)于： 
{a,b[3],b[2],b[1],b[0],w,1’b1,1’b0,1’b1} 

運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)：

賦值語(yǔ)句

• 非阻塞(Non_Blocking)賦值方式， 如 b <= a; 加粗是非阻塞的含義
• 塊結(jié)束后才完成賦值操作。
• b的值并不是立刻就改變的。
• 這是一種比較常用的賦值方法。
• 阻塞(Blocking)賦值方式，如 b = a;
• 賦值語(yǔ)句執(zhí)行完后,塊才結(jié)束。
• b的值在賦值語(yǔ)句執(zhí)行完后立刻就改變的。
• 可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。

塊語(yǔ)句

塊語(yǔ)句有兩種，一種是begin_end語(yǔ)句，通常用來(lái)標(biāo)識(shí)順序執(zhí)行的語(yǔ)句，用它來(lái)標(biāo)識(shí)的塊稱為順序塊。一種是 fork_join語(yǔ)句，通常用來(lái)標(biāo)識(shí)并行執(zhí)行的語(yǔ)句，用它來(lái)標(biāo)識(shí)的塊稱為并行塊。

順序塊

• 塊內(nèi)的語(yǔ)句是按順序執(zhí)行的，即只有上面一條語(yǔ)句執(zhí)行完后下面的語(yǔ)句才能執(zhí)行。
• 每條語(yǔ)句的延遲時(shí)間是相對(duì)于前一條語(yǔ)句的仿真時(shí)間而言的。
• 直到最后一條語(yǔ)句執(zhí)行完，程序流程控制才跳出該語(yǔ)句塊。

begin 
    語(yǔ)句1; 
    語(yǔ)句2; 
    ...... 
    語(yǔ)句n; 
end 

并行塊

• 塊內(nèi)語(yǔ)句是同時(shí)執(zhí)行的，即程序流程控制一進(jìn)入到該并行塊，塊內(nèi)語(yǔ)句則開(kāi)始同時(shí)并行地執(zhí)行。
• 塊內(nèi)每條語(yǔ)句的延遲時(shí)間是相對(duì)于程序流程控制進(jìn)入到塊內(nèi)時(shí)的仿真時(shí)間的。
• 延遲時(shí)間是用來(lái)給賦值語(yǔ)句提供執(zhí)行時(shí)序的。
• 當(dāng)按時(shí)間時(shí)序排序在最后的語(yǔ)句執(zhí)行完后或一個(gè)disable語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)，程序流程控制跳出該程序塊。

fork 
    語(yǔ)句1; 
    語(yǔ)句2; 
    ....... 
    語(yǔ)句n; 
join 

流控語(yǔ)句

流控語(yǔ)句風(fēng)格與C語(yǔ)言類似，僅僅需要注意的有下面幾點(diǎn)：

• if 語(yǔ)句別忘了考慮else的情況，如忘了處置則最終硬件會(huì)最終產(chǎn)生意想不到的后果
• 多條語(yǔ)句在條件內(nèi)部需要用begin/end對(duì)包起來(lái)。
• case語(yǔ)句與C語(yǔ)言也有default分支，實(shí)際使用注意處置default分支

結(jié)構(gòu)說(shuō)明語(yǔ)句

Verilog語(yǔ)言中的任何過(guò)程模塊都從屬于以下四種結(jié)構(gòu)的說(shuō)明語(yǔ)句：

• initial說(shuō)明語(yǔ)句：只執(zhí)行一次
• always說(shuō)明語(yǔ)句 ：是不斷地重復(fù)執(zhí)行
• task說(shuō)明語(yǔ)句
• function說(shuō)明語(yǔ)句

對(duì)于task/function的不同點(diǎn)，使用時(shí)需要注意：

• 函數(shù)只能與主模塊共用同一個(gè)仿真時(shí)間單位，而任務(wù)可以定義自己的仿真時(shí)間單位。函數(shù)的定義不能包含有任何的時(shí)間控制語(yǔ)句，即任何用＃、@、或wait來(lái)標(biāo)識(shí)的語(yǔ)句。
• 函數(shù)不能啟動(dòng)任務(wù)，而任務(wù)能啟動(dòng)其它任務(wù)和函數(shù)。
• 函數(shù)至少要有一個(gè)輸入變量，而任務(wù)可以沒(méi)有或有多個(gè)任何類型的變量。
• 函數(shù)返回一個(gè)值，而任務(wù)則不返回值。
• 函數(shù)的目的是通過(guò)返回一個(gè)值來(lái)響應(yīng)輸入信號(hào)的值。任務(wù)卻能支持多種目的，能計(jì)算多個(gè)結(jié)果值，這些結(jié)果值只能通過(guò)被調(diào)用的任務(wù)的輸出或總線端口送出
• 在函數(shù)的定義中必須有一條賦值語(yǔ)句給函數(shù)中的一個(gè)內(nèi)部變量賦以函數(shù)的結(jié)果值，該內(nèi) 部變量具有和函數(shù)名相同的名字。

系統(tǒng)函數(shù)和任務(wù)

在Verilog HDL語(yǔ)言中每個(gè)系統(tǒng)函數(shù)和任務(wù)前面都用一個(gè)標(biāo)識(shí)符$來(lái)加以確認(rèn),有這些系統(tǒng)函數(shù)和任務(wù)。

rtoi, setup, skew, setuphold, strobe, time, timefoemat, width, write, $recovery,

按字面意思理解，需要用到時(shí)查詢手冊(cè)即可。

編譯預(yù)處理

宏定義 `define

用法：

`define 標(biāo)識(shí)符(宏名) 字符串(宏內(nèi)容)

如：

//類似C宏替換
`define signal hello 

與C語(yǔ)言宏類似，除了關(guān)鍵字不一樣，也支持嵌套。組成宏內(nèi)容的字符串不能夠被以下的語(yǔ)句記號(hào)分隔開(kāi)的，下面幾點(diǎn)需要注意：

• 注釋行

• 數(shù)字

• 字符串

• 確認(rèn)符

• 關(guān)鍵詞

• 雙目和三目字符運(yùn)算符

“文件包含”處理`include

用法：`include “文件名”

四點(diǎn)說(shuō)明：

• 一個(gè)`include命令只能指定一個(gè)被包含的文件，如果要包含n個(gè)文件，要用n個(gè)`include命令。注意下面的寫(xiě)法是非法的`include"aaa.v""bbb.v"
• `include命令可以出現(xiàn)在Verilog HDL源程序的任何地方，被包含文件名可以是相對(duì)路徑名，也可以是絕對(duì)路徑名。例如：'include"parts/count.v"
• 可以將多個(gè)`include命令寫(xiě)在一行，在`include命令行，只可以出空格和注釋行。
• 如果文件1包含文件2，而文件2要用到文件3的內(nèi)容，則可以在文件1用兩個(gè)`include命令分別包含文件2和文件3，而且文件3應(yīng)出現(xiàn)在文件2之前

時(shí)間尺度 `timescale

`timescale命令用來(lái)說(shuō)明跟在該命令后的模塊的時(shí)間單位和時(shí)間精度。使用`timescale命令可以在同一個(gè)設(shè)計(jì)里包含采用了不同的時(shí)間單位的模塊。用法：

`timescale<時(shí)間單位>/<時(shí)間精度>

//模塊中所有的時(shí)間值都表示是1ns的整數(shù)倍
//1ns/ps：1納秒/脈沖 
`timescale  1ns/1ps 

注意：如果在同一個(gè)設(shè)計(jì)里，多個(gè)模塊中用到的時(shí)間單位不同，需要用到以下的時(shí)間結(jié)構(gòu)：

• 用`timescale命令來(lái)聲明本模塊中所用到的時(shí)間單位和時(shí)間精度。
• 用系統(tǒng)任務(wù)$printtimescale來(lái)輸出顯示一個(gè)模塊的時(shí)間單位和時(shí)間精度。
• 用系統(tǒng)函數(shù) realtime及%t格式聲明來(lái)輸出顯示EDA工具記錄的時(shí)間信息。

條件編譯命令

`ifdef、`else、`endif

這與C語(yǔ)言用法類似，這里就不贅述了。

總結(jié)一下

Verilog HDL的語(yǔ)法與C語(yǔ)言的語(yǔ)法類似，但是一定要意識(shí)到Verilog HDL描述的是電路，光有代碼還不夠，器件可能運(yùn)行的結(jié)果并不是代碼想要的效果。另外要注意理解并行的概念，這里的并行是硬件在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)真的同時(shí)按照所設(shè)計(jì)的邏輯運(yùn)行。一些重要的概念：

• 阻塞〔Blocking〕和非阻塞〔Non-Blocking〕賦值的不同
• 順序塊和并行塊的不同
• 塊與塊之間的并行執(zhí)行的概念；
• task和function的概念。

那么最好的學(xué)習(xí)辦法是什么呢？寫(xiě)代碼、仿真、綜合、優(yōu)化布局布線，挖坑、踩坑、填坑，在錯(cuò)誤中總結(jié)，漸進(jìn)明晰、不斷實(shí)踐總結(jié)。

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參考資料:

《夏宇聞-Verilog經(jīng)典教程》，如需要本電子書(shū)，關(guān)注后發(fā)送Verilog，可領(lǐng)取pdf。