Verilog 入门简明教程

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专栏 《Verilog语言入门教程》

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全文 6000字

1. 基本语法

• 换行： 格式自由，可以在一行内编写，也可跨多行编写， 建议换行。
• 每个语句必须以 ；为结束符
• 单行注释用//xxx，跨行注释用/* xxx */
• 标识符（identifier）第一个字符必须是字母或者下划线，可以是任意一组字母、数字、$ 符号和 _(下划线)符号的组合。
• 关键字全部为小写。

"module" 和 "Module" 是不同的关键词

2. 数据类型

• bit：单个位的值，只能取0或1。
• integer：整数类型，无符号。
• int：整数类型，有符号。
• reg：寄存器类型，用于存储多个位的值。
• wire：线类型，用于连接模块中的不同部分。

wire [8-1:0] addr;
reg [8-1:0] addr_temp;

• real：浮点数类型。
• parameter：参数类型，用于定义模块中的常量值。
• time：时间类型，表示时间单位。
• event：事件类型，用于同步设计中的事件。
• string：字符串类型，用于存储文本。
• boolean：布尔类型，取值为真或假。
• logic：逻辑类型，可以表示多个位的值。

3. 数值表示

• 整数（Integer）：使用十进制表示，例如256、-42。

• 二进制数（Binary）：使用'b或者'B前缀，后面跟上由0和1组成的二进制数，例如'b1010。

• 八进制数（Octal）：使用'o或者'O前缀，后面跟上由0到7组成的八进制数，例如'o17。

• 十进制数（Decimal）：使用'd或者'D后缀，表示十进制整数，例如-123d。

• 十六进制数（Hexadecimal）：使用'h或者'H前缀，后面跟上由0到9以及字母A到F组成的十六进制数，例如'hFF。

• 无符号数（Unsigned）：使用'u或者'U后缀，表示无符号整数，例如8u。

• 负数（Negative）：使用-符号表示负数，例如-42。

• 实数（Real）：使用十进制或者指数形式表示，例如3.14、-0.00123、2.99792e8。

• 参数化数值表示：使用参数化的方式来表示数值，例如N'b1010表示一个N位的二进制数值。

• 字符串表示方法：需要定义相应大小的存储单元，比如字符串"baidu.com"需要13*8bit的存储单元。

reg [13*8-1:0] str;
assign str = "www.baidu.com";

4. 操作符

常用的操作符列表：

算术操作符：

• 加法：+
• 减法：-
• 乘法：*
• 除法：/
• 取模：%
• 求负：-
• 自增：++
• 自减：--

比较操作符：

• 相等：==
• 不等：!=
• 大于：>
• 小于：<
• 大于等于：>=
• 小于等于：<=

逻辑操作符：

• 与：&&
• 或：||
• 非：!
• 与非：~&
• 或非：~|
• 异或：^
• 同或：~^

位操作符：

• 与：&
• 或：|
• 异或：^
• 非：~

归约操作符：
归约与 “&”
归约与非 ~ &
归约或 |
归约或非 ~ |
归约异或 ^
归约同或 ~ ^

位操作符用于对向量的单个位进行操作
归约操作符用于对向量的所有位进行逻辑操作

移位操作符：
左移：<<
右移：>>

赋值操作符：

• 直接赋值：=
• 等效赋值：<=
• 加法赋值：+=
• 减法赋值：-=
• 乘法赋值：*=
• 除法赋值：/=
• 位与赋值：&=
• 位或赋值：|=
• 位异或赋值：^=
• 左移赋值：<<=
• 有符号右移赋值：>>=
• 无符号右移赋值：<<<=
• 实数右移赋值：<<<>=

位选择操作符：

• 索引选择：[ ]
• 切片选择：[ : ]
• 选择运算符：{ }

其他操作符：

• 条件运算符：? :
• 逗号运算符：,
• 强制类型转换：$signed、$unsigned等

这些操作符可以用于将不同的信号连接在一起，实现各种逻辑和计算功能。

5. 表达式

表达式：由操作符和操作数构成，目的是根据操作符的意义得到一个计算结果。

1. 逻辑表达式：

   • 与运算: A & B
   • 或运算: A | B
   • 非运算: ~A
   • 异或运算: A ^ B
   • 逻辑与运算: A && B
   • 逻辑或运算: A || B

2. 算术表达式：

   • 加法: A + B
   • 减法: A - B
   • 乘法: A * B
   • 除法: A / B
   • 模运算: A % B
   • 自增: A++
   • 自减: A--

3. 位运算表达式：

   • 位与: A & B
   • 位或: A | B
   • 位非: ~A
   • 位异或: A ^ B
   • 左移: A << B
   • 右移: A >> B
   • 位拼接: {A, B}

4. 条件表达式：

   • 三元运算符: condition ? A : B
   • if-else语句: if (condition) A else B

6. 编译指令

• `include：用于将其他文件中的代码包含到当前文件中。通常用于包含头文件。

• `define：用于定义宏。可以将一段代码或常用参数定义为宏，方便在代码中多处引用。

• `undef：用于取消先前定义的宏。

• `ifdef：用于条件编译。如果给定的宏已定义，则编译指定语句块。

• `ifndef：用于条件编译。如果给定的宏未定义，则编译指定语句块。

• `else：用于条件编译。与ifdef或ifndef一起使用，表示在宏已定义或未定义时执行的语句块。

• `endif：用于条件编译。用于结束ifdef、ifndef和`else之后的语句块。

• `timescale：用于设置仿真时间单位和精度。例如：timescale 1ns/1ps 表示时间单位为纳秒(ns)，时间精度为皮秒（ps)。时间精度要小于等于时间单位

• `pragma：用于设置编译器的指令。可以用于设定编译选项、警告设置等。

• `celldefine：用于指定在开始模块定义后、模块实例化之前可以使用的单元和宏定义。

• `endcelldefine：用于结束`celldefine块。

 `celldefine
module (
    input      clk,
    input      rst,
    output   A,
    output   B );
endmodule
`endcelldefine

• `default_nettype：用于指定默认的信号类型。可以将默认的信号类型设置为none、wire或tri。

• `unconnected_drive：用于指定未连接的端口的驱动类型。可以将默认驱动类型设置为pull0、pull1、strong0、strong1、weak0、weak1或highz。

• `nounconnected_drive：用于取消先前定义的未连接端口的驱动类型。

7. 过程结构

1. initial: 这是一个初始化过程结构，在模拟开始时执行一次。它用于初始化变量或执行其他初始化操作。例如：

   initial begin
     // 进行相应的初始化操作
   end
   

2. always: 这是一个通用过程结构，根据敏感信号的类型，在其值发生变化时执行操作。它类似于 always @(敏感信号列表)。例如：

   always @(a or b) begin
     // 进行相应的操作
   end
   

常用的前面这两个就可以了。

3. always_ff: 这是一个时钟驱动的过程结构，仅在时钟边沿触发时执行。它类似于 always @(posedge clk)。例如：

   always_ff @(posedge clk) begin
     // 进行相应的操作
   end
   

4. always_comb: 这是一个组合逻辑过程，每当输入信号发生变化时，都会重新计算输出。它类似于 always @( * )。

5. always_latch: 这是一个锁存器过程，只在锁存器使能信号为高电平时才执行操作。它类似于 always @(latch_en)。

6. always_ff @(posedge clk or posedge rst): 这是一个带有复位的时钟驱动过程结构，当时钟边沿触发或复位信号为高电平时执行。

7. always_ff @(posedge clk or posedge rst or posedge en): 这是一个带有复位和使能的时钟驱动过程结构，当时钟边沿触发、复位信号为高电平或使能信号为高电平时执行。

8. 过程赋值

• 阻塞赋值=：在执行完当前的赋值操作之后，会继续执行下一条语句.
• 非阻塞赋值<=：语句并行执行，即其他语句的执行和当前语句的执行同时进行，当前时间步结束后才进行更新
• 连续赋值 (assign): 通常用于连接模块之间的信号赋值。
• 延时赋值(<= #delay)： 赋值操作，并延迟指定的时间步后再更新被赋值的变量。赋值对象只能是wire型变量而不能是reg型变量.
• -force（强制赋值）, 赋值对象可以是reg型或wire型变量

force作用在寄存器上时，寄存器当前值被覆盖，release时该寄存器值将继续保留强制赋值时的值；
force作用在线网上时，线网当前值被覆盖，但release时该线网值马上变为原有的驱动值

9. 语句块

• module 块：定义模块的输入、输出端口以及内部信号
• always 块：描述组合逻辑或时序逻辑的行为
• initial 块：描述初始化行为，在模拟仿真开始时执行一次
• assign 块：连续赋值模块内的连线，用于组合逻辑
• reg 块：定义寄存器类型的变量，在时序逻辑中使用
• wire 块：定义线网类型的变量，在组合逻辑中使用
• if/else 块：用于条件分支
• case/casex/casez 块：用于多路选择
• for/while 块：用于循环
• fork/join 块：用于并行执行

10. 延时语句

（连续赋值）延时语句“assign #time”用于控制任意操作数发生变化到语句左端赋予新值之间的延时时间

11. 时序控制

1. 线性时序控制：

   • #N：表示延迟N个时间单位，其中N可以是一个具体的整数值。
   • #N.M：表示延迟N个时间单位和M个时间精度单位，其中N和M都可以是具体的整数值。

2. 条件时序控制：

   • posedge clk：表示在时钟上升沿触发。
   • negedge clk：表示在时钟下降沿触发。
   • @(posedge clk)：表示等待时钟上升沿触发的条件。
   • @(negedge clk)：表示等待时钟下降沿触发的条件。

3. 循环时序控制：

   • for(i=0; i<N; i=i+1)：表示循环执行N次，其中i是一个循环变量，N是一个具体的整数值。
   • while(condition)：表示在满足指定条件的情况下循环执行，其中condition是一个逻辑表达式。

4. 重复时序控制：

   • repeat(N)：表示重复执行N次，其中N是一个具体的整数值。
   • forever：表示无限循环执行。

这些时序控制语句可以在Verilog代码中灵活地组合与使用，实现不同的时序控制功能。

12. 条件语句

1. if-else语句:

if (条件) begin
    // 条件为真时执行的代码
end
else begin
    // 条件为假时执行的代码
end

case语句中，每个比较项必须完全匹配（即需要精确匹配）。
casez语句中，比较项的某些位可以为x（无关位），只要其他位匹配。
casex语句中，比较项的某些位可以为x（无关位）或z（高阻态），只要其他位匹配

2. case语句:

case (选择表达式)
    值1: begin
        // 对应值1时执行的代码
    end
    值2: begin
        // 对应值2时执行的代码
    end
    default: begin
        // 选择表达式不匹配任何值时执行的代码
    end
endcase

3. casez语句（针对部分匹配的情况）：

casez (选择表达式)
    值1: begin
        // 对应值1时执行的代码
    end
    值2: begin
        // 对应值2时执行的代码
    end
    default: begin
        // 选择表达式不匹配任何值时执行的代码
    end
endcase

4. casex语句（针对通配符匹配的情况）：

casex (选择表达式)
    值1: begin
        // 对应值1时执行的代码
    end
    值2: begin
        // 对应值2时执行的代码
    end
    default: begin
        // 选择表达式不匹配任何值时执行的代码
    end
endcase

循环语句

1. for循环语句:

for (循环变量初始值; 循环条件; 循环变量更新) begin
    // 循环体代码
end

2. while循环语句:

while (循环条件) begin
    // 循环体代码
end

3. do-while 循环：
   先执行一段代码块，然后在满足指定条件时重复执行这段代码块。示例代码如下：

begin
	A;
end

4. repeat循环语句:

repeat (循环次数) begin
    // 循环体代码
end

5. forever循环语句：

forever //相当于while(1)，表示永久循环，通过系统函数$finish退出
	begin
		A;
	end

参考

1	ProNeverFake, Verilog入门教程与实例分享