Verilog（未完待续）

Verilog教程

这个教程写的很好，可以多看看。本篇还没整理完。

一、Verilog简介

什么是FPGA？一种可通过编程来修改其逻辑功能的数字集成电路（芯片）

与单片机的区别？对单片机编程并不改变其地电路的内部结构，只是根据要求实现的功能来编写运行的程序（指令）。举例：单片机就两个uart，但是我想用4个uart，单片机就没办法了。

什么是HDL？（hardware description language）硬件描述语言，用于描述数字电路结构和功能的语言。

Verilog和C的区别？Verilog是硬件描述语言，在编译下载到FPGA之后，会生成电路，所以Verilog是并行运行的。C语言是软件编程语言，编译下载到单片机之后，是存储器中的一组指令。而单片机处理软件指令需要取指、译码、执行，这个过程是串行执行的。

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二、Verilog基础语法

2.1基础知识

2.1.1 逻辑值

0：逻辑0，逻辑假。

1：逻辑1，逻辑真。

X：未知，高或低。

Z：高阻态，外部没有激励信号，是一个悬空状态。

2.1.2 数值表示

二进制（b）、八进制（o）、十进制（d）、十六进制（h）。

举例：
8'b10101010
16'h10c8_fc9a
//_可以增加可读性
 
//直接写数字，默认十进制。
//不指定位宽，编译器自动分配
 
//负数,按位取反加一，符号位在最高位。
-15 = -5'b10001
 
//科学计数法
1.2e4 //12000
 
//字符串
reg[15*8-1:0] string;
initial begin
    string = "Hello World!";
end

2.1.3 标识符

用于定义模块名、端口名、信号名。

字母、数字、$符号、_下划线。第一个字符必须是字母或者下划线。

严格区分大小写。

不建议大小写混合使用。

普通内部信号建议全部小写。

2.2 数据类型

2.2.1 线网类型wire

• 线网类型便是结构实体之间的物理连线。不能存储值，它的值由驱动的元件所决定。
• 驱动线网类型变量的元件有门、连续赋值语句、assign等。
• 如果没有驱动元件连接到线网类型的变量上，则该变量就是高阻态。

2.2.2 寄存器类型reg

• 数据存储单元，默认初始值是不定值x。未写位宽的时候默认32位。无符号数。
• reg类型数据只能在always和initial中赋值。
• 如果该过程语句描述的是时序逻辑，即always语句带有时钟信号，则该寄存器变量对应为触发器。
• 如果该过程语句描述的是组合逻辑，即always语句不带有时钟信号，则该寄存器变量对应为硬件连线。

2.2.3 向量

• 位宽大于1，wire和reg可以声明为向量的形式：

wire[3:0]     add;
reg[7:0]      data;

• [bit+: width] : 从起始 bit 位开始递增，位宽为 width。
• [bit-: width] : 从起始 bit 位开始递减，位宽为 width。
• 向量组合需要{}括起来。

2.2.4 数组

• <数组名>[<下标>]

reg[7:0]     counter[3:0];//3个8bit数组
wire         data[7:0][3:0];二维数组
reg[31:0]    data_bits[7:0][2:0][3:0];三维数组
 
//赋值
counter[3] = 4'hF ;  //将数组counter中第4个元素的值赋值为4bit 十六进制数F，等效于counter[3][3:0] = 4'hF，即可省略宽度;
assign data[0][1]     = 1'b1;  //将数组data的第1行第2列的元素赋值为1，这里不能省略第二个访问标号，即 assign data[0] = 1'b1; 是非法的。

2.2.5 整数，实数，时间

• 整数（integer）：32bit，有符号数。可以用来定义for循环的i。
• 实数（real）：默认值为0。
• 时间（time）：64bit，通过调用系统函数 $time 获取当前仿真时间。

2.2.6 参数类型localparam、parameter

常量，类似#define。可以一次定义多个参数，参数与参数之间需要用逗号隔开。每个参数定义的右边必须是一个常数表达式。

#

1.参数的传递

模块定义的时候传入参数，模块实例化的时候传入参数。

2.时序仿真中的延时

//延时2.5个时间单位后执行sys_clk_i信号的翻转
always #2.5 sys_clk_i = ~sys_clk_i;

2.3运算符

算数运算符：+、-、*、/、%

关系运算符：>、<、<=、>=、==、!=

逻辑运算符：！、&&、||

条件操作符：？：

位运算符：~、&、|、^

移位运算符：<<、>>；注意：左移位宽要增加、右移位宽不变。

拼接运算符：{}。{a,b[3:0]}

2.3.1优先级

2.4编译指令

1.`define, `undef

2.`include

3.`timescale

用于定义时延、仿真的单位和精度

`timescale      time_unit / time_precision

• time_unit 表示时间单位，time_precision 表示时间精度，
• 单位 s（秒），ms（毫秒），us（微妙），ns（纳秒），ps（皮秒）和 fs（飞秒）。
• 时间单位≥时间精度。
• 编译过程中，`timescale会影响后面的模块中的时延值。直到遇到另一个`timescale或者`resetall。
• 没有默认的`timescale，没有指定的情况下，会继承前面编译模块的`timescale参数，可能导致设计出错。
• 一个设计多个模块都有`timescale时，时延单位不受影响，但是时延精度会换算成最小时延精度。
• 如果有并行子模块，子模块间的 `timescale 并不会相互影响。
• 时间精度设置是会影响仿真时间的。时间精度越小，仿真时占用内存越多，实际使用的仿真时间就越长。所以如果没有必要，应尽量将时间精度设置的大一些。
• 如果延时时间的最小位数小于时间精度，将会四舍五入。例如时间单位为10ns，精度为1ns，#1.04表示延时1.04个时间单位=1.04x10ns=10.4ns，但精度无法表示0.1ns，#1.04≈10ns

4.`default_nettype

5.`resetall

6.`celldefine, `endcelldefine

7.`unconnected_drive, `nounconnected_drive

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三、程序框架

3.1Verilog注释

//、/**/、

3.2Verilog关键字

3.3Verilog程序框架

模块的结构

一个模块由两部分组成：一部分描述接口，一部分描述逻辑功能。

端口定义、IO说明、内部信号声明、功能定义。

模块的调用

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四、高级知识点

4.1结构语句

1. initial

只执行一次。

常用于测试文件的编写，用来产生仿真测试信号（激励信号），或者用于对存储器变量赋初值。

2. always

一直不断地重复活动。

但是只有和一定的时间控制结合在一起才有作用。

always时间控制可以是沿触发或者电平触发。敏感列表。

沿触发：

多个信号中间要用or连接。（posedge，negedge）

电平触发：（*）

4.2赋值语句

1.阻塞赋值(与C语言一样)

b = a;

描述组合逻辑时，用阻塞赋值。

2.非阻塞赋值（并行同时赋值）

b <= a;

只能用于对寄存器类型的变量进行赋值，只能用于initial和always中。

描述时序逻辑时，用非阻塞赋值。

注意：在同一个always块中不要既用非阻塞赋值又要阻塞赋值，不允许在多个always块中对同一个变量进行赋值。

组合逻辑

任意时刻输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。

时序逻辑

任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态。或者说还与之前的输入有关，因此时序逻辑必须具备记忆功能。

4.3条件语句

条件语句必须在过程块（initial、always）中使用。

if-else

0，x，z按假处理。

if和else后面可以用begin end包含多个语句。

case

位宽必须相等。

casez，不用考虑表达式中的高阻值。

casex，不用考虑高阻值z和不定值x。

4.4函数

4.5任务

• 任务的输入输出可以没有或者多个，且端口声明可以为 inout 型。
• 不能出现initial和always过程块。但可以包含其他时序控制，如延时语句。
• 任务可以调用函数和任务。
• 任务可以作为一条单独的语句出现语句块中。

4.5.1 任务声明

任务在模块中任意位置定义，并在模块内任意位置引用，作用范围也局限于此模块。

模块内子程序出现下面任意一个条件时，则必须使用任务而不能使用函数。

• 1）子程序中包含时序控制逻辑，例如延迟，事件控制等
• 2）没有输入变量
• 3）没有输出或输出端的数量大于 1

对 output 信号赋值时也不要用关键字 assign。为避免时序错乱，建议 output 信号采用阻塞赋值。

task       task_id ;
    port_declaration ;
    procedural_statement ;
endtask

task xor_oper_iner(
    input [N-1:0]   numa,
    input [N-1:0]   numb,
    output [N-1:0]  numco  ) ; 
    #3  numco       = numa ^ numb ;
endtask

4.5.2 任务调用

task_id(input1, input2, …,outpu1, output2, …);

输入端连接的模块内信号可以是 wire 型，也可以是 reg 型。输出端连接的模块内信号要求一定是 reg 型。

4.6状态机

4.6.1状态机概念FSM

在有限个状态之间按一定规律转换的时序电路

4.6.2状态机模型

状态寄存器由一组触发器组成，用来记忆状态机当前所处的状态，状态的改变只发生在时钟的跳变沿。

4.6.3状态机设计

状态空间定义

状态跳转（时序逻辑）

下个状态判断（组合逻辑）

各个状态下的动作