verilog 语法及特点

主线上的硬件描述语言有verilog 和 VHDL 两门， 由于 verilog 语法上比VHDL 语言灵活， 所以现在社区以 verilog 语言开发的项目占比更大。 但是相较于 现在流行的 java/python 计算机语言比起来， 其模块化管理要差很多， 所以现在社区有 类是 java 语言的 Chisel 设计。不过大部分FPGA厂家都只提供了 verilog/VHDL 两门语言的综合逻辑， 所以其他的语言都是最终要转换到 这两门语言上。 下面我们来看看流行的 verilog 语言的一些基本的知识。

Verilog HDL（Hardware Description Language）是在用途最广泛的 C 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，具有灵活性高、易学易用等特点。Verilog HDL 可以在较短的时间内学习和掌握，目前已经在 FPGA 开发/IC 设计领域占据绝对的领导地位。

Verilog 的特点：

1. 能形式化的抽象表示电路的行为和结构；
2. 支持逻辑设计中层次与范围的描述；
3. 可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为和结构；
4. 支持电路描述由高层到低层的综合转换；
5. 硬件描述和实现工艺无关。

Verilog 的语法:

1. verilog 命名和 c/c++ 基本相似, 但是命名里面多两个一个$字符

2. 由于 verilog 的数字更多考虑的是逻辑门, 所以通常以 直观的 二进制表示, 而且位数是有效必须指定的, 格式 <位数>'b<二进制数> 如 8’b00000001. 有时候也用 10 进制,16 进制, 格式如 8’d1, 8’ha (8’b00001010), 8 表示的是转换为 2 进制的位数. 16 进制中的加入了 ABCDEF 子母.

3. verilog 有 3 大数据类型: 寄存器类型(reg), 线网类型(wire)和参数类型(parameter). 下面是其定义方式:

   //reg 定义
   reg [31:0]  delay_cnt; //延时计数器
   reg         key_flag;  //按键标志
   //wire 定义
   wire       data_en; //数据使能信号
   wire [7:0] data;    //数据
   //parameter 定义
   parameter DATA_WIDTH = 8; //数据位宽为8位
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   8

4. 算术运算 ±* / %, 关系运算 > < >= <= == !=, 逻辑运算 ! && ||, 条件运算符 ? :, 位运算符 & | ^ ~, 移位运算 << >>, 拼接运算 { }, 运算符优先级 与 python 基本一致(都是在 c 语言那里继承的).

5. 模块定义

   // 模块定义 module 开头, endmodule 结尾
   module 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 位 led 灯
   )
   // 变量定义
   parameter WIDTH = 25;
   parameter COUNT_MAX = 25_000_000; // 板载50MHz时钟 = 20ns, 0.5/20ns = 25MHz, 需要25bit位宽 (25'b1011111010111100001000000)
   
   reg [WIDTH-1:0] counter; // reg 信号, 一般情况下代表寄存器
   reg [1:0] leg_ctrl_cnt;
   
   wire counter_en; // wire 信号, 就是硬件连线
   
   
   // 程序逻辑
   
   // 计数到最产生一个高电平信号
   assign counter_en = (counter == (COUNT_MAX-1'b1))? 1'b1 : 1'b0;
   
   // 用于产生0.5秒 使能信号计数器
   always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin // 代表 sys_clk 上升沿或者 sys_rst_n 下降沿触发
                                                       // begin/end 中间是一个语句块
       if (sys_rst_n == 1'b0)
           counter <= 1'b0;
       else if (counter_en)
           counter <= 1'b0;
       else
           counter <= counter + 1'b1; // <= 代表信号是非阻塞赋值
   end
   
   // led 流水控制计数器
   always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
       if (sys_rst_n == 1'b0)
           led_ctrl_cnt <= 2'b0;
       else if (counter_en)
           led_ctrl_cnt <= led_ctrl_cnt + 2'b1;
   end
   
   // 通过控制IO口的高低信号，控制LED的亮灭
   always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
       if(sys_rst_n == 1'b0)
           leg <= 4'b0;
       else begin  // if else 语句, 如果包括多条语句, 需要用 begin/end 括起来
           case(led_ctrl_cnt)  // case/endcase 中就是case语法块, default是默认分支
               2'b00: leg <= 4'b0001;
               2'b01: leg <= 4'b0010;
               2'b10: leg <= 4'b0100;
               2'b11: leg <= 4'b1000;
               default:;
           endcase
       end
   end
   endmodule
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6. 关键字

   编号	1	2	3	4	5
   1	and	always	assign	begin	buf
   2	bufif0	bufif1	case	casex	casez
   3	cmos	deassign	default	defparam	disable
   4	edge	else	end	endcase	endfunction
   5	endprimitive	endmodule	endspecify	endtable	endtask
   6	event	for	force	forever	fork
   7	function	highz0	highz1	if	ifnone
   8	initial	inout	input	integer	join
   9	large	macromodule	medium	module	nand
   10	negedge	nor	not	notif0	notif1
   11	nmos	or	output	parameter	pmos
   12	posedge	primitive	pulldown	pullup	pull0
   13	pull1	rcmos	real	realtime	reg
   14	release	repeat	rnmos	rpmos	rtran
   15	rtranif0	rtranif1	scalared	small	specify
   16	specparam	strength	strong0	strong1	supply0
   17	supply1	table	task	tran	tranif0
   18	tranif1	time	tri	triand	trior
   19	trireg	tri0	tri1	vectored	wait
   20	wand	weak0	weak1	while	wire
   21	wor	xnor	xor

   常用关键字

   关键字	含义
   module	模块开始定义
   input	输入端口定义
   output	输出端口定义
   inout	双向端口定义
   parameter	信号的参数定义
   wire	wire 信号定义
   reg	reg 信号定义
   always	产生 reg 信号语句的关键字
   assign	产生 wire 信号语句的关键字
   begin	语句的起始标志
   end	语句的结束标志
   posedge	/negedge 时序电路的标志
   case	Case 语句起始标记
   - casex	Case 语句起始标记, 不考虑高阻状态 z
   -casez	Case 语句起始标记, 不考虑高阻状态 z 和不定值 x
   default	Case 语句的默认分支标志
   endcase	Case 语句结束标记
   if	if/else 语句标记
   else	if/else 语句标记
   for	for 语句标记
   endmodule	模块结束定义

7. 事件触发器
   initial 语句块, 只在初始化时执行一次
   always 语句块, 每次时钟周期都执行, 条件可以是电平触发, 时钟触发, 或两者都触发

8. verilog 类型 wire/reg

   wire 类型: 模块输入类型, 顶层模块输出, 部分内部模块输出, 实例化模块的连接, 被 assign 赋值的对象
   reg 类型: always/initial 内被赋值的变量, 部分内部模块输出.

PS: 语言只是逻辑的描述， verilog 语言就是硬件语言的逻辑描述，

参考

1. Verilog 基础知识
2. Verilog 的关键字
3. tinyriscv
4. 浅显易懂-Verilog 中什么时候用 wire？什么时候用 reg？wire 与 reg 只有又有啥区别？如何去选择性的使用呢？
5. verilog 基础——always、initial