基础知识

 0.1 模块(Module)

        Verilog中的module可以看成一个具有输入输出端口的黑盒子，该黑盒子有输入和输出接口(信号)，通过把输入在盒子中执行某些操作来实现某项功能。(类似于C语言中的函数)

图1  模块示意图

0.1.1 模块描述

图1 所示的顶层模块(top_module)结构用Verilog语言可描述为：

module  top_module(
    input a,
    input b,
    output out
);

   ....... 

endmodule

• 模块以module 开始，endmodule结束
• top_module 为模块名
• input : 为输入端口
• output:  为输出端口
• 所有代码必须处于module模块中！

 同理，图1 所示的次级模块(mod_a)结构用Verilog语言可描述为：

module  top_module(
    input in1,
    input in2,
    output out
);

   ....... 

endmodule

注意事项：每个模应单独块处于一个.v文件中，模块名即为文件名(规范代码！)

0.1.2  模块输入输出信号

• 输出： output
• 输入： input

模块的输入输出端口都可看出模块的信号，若不写信号类型则默认为wire类型信号！

// 以下这两个语句本质是一直的
input a;

input wire a;

除了wire型信号，还有reg型信号，具体详见1.4节！

0.1.3 模块实例化

        如图1所示，top_module的两个输入端口连接到次级模块(mod_a)的输入端口，那如何在top_module模块模块中使用mod_a模块的功能呢？这就需要通过模块实例化，可以把top_module看成C语言中的主函数，次级模块mod_a看成普通函数，这样就可以在主函数中调用其他函数来完成相应的功能！

在top_module中实例化mod_a的方式为：

模块实例化语法： 模块名 实例名(定义连接port的信号);

module  top_module(
    input a,
    input b,
    output out
);

	mod_a instance2 (.in1(a), .in2(b), .out(out));

endmodule

• 按mod_a定义的端口顺序实例化: mod_a instance1 (a, b, out);
• 按mod_a端口名实例化: mod_a instance2 (.in1(a), .in2(b), .out(out));   (推荐此种写法)

0.2 逻辑块(always、generate)

0.2.1 always逻辑块

        always块可构建 组合逻辑块 和 时序逻辑块，复杂的逻辑操作都需要处于该逻辑块中，如if、case、for等

(1) 组合逻辑块

module top_module();

    always @(*) begin
        ....
    end

endmodule

• always逻辑块中任意信号变化时立即触发，执行begin - end之间的语句
• begin - end用于将多条语句组成一个代码块，只有一条语句时可省略

(1) 时序逻辑电路

module top_module();

    always @(posedge clk) begin
        ....
    end

endmodule

• clk 信号的上升沿触发
• posedge:  上升沿
• negedge: 下降沿

0.2.2 generate逻辑块

generate主要结合for循环使用，主要用途有：

• 对向量中的多个位进行重复操作
• 对同一个模块进行多次重复实例化(主要用途)

(1) 操作向量

module top_module(input [7:0] in,  output [7:0] out);
    genvar i;        // genvar i; 也可以定义在generate内部
    generate
        for(i=0; i<8; i++) begin: bit
             assign out[i]=^in[8-1:i];
        end
    endgenerate
endmodule

(2) 模块重复多次实例化

module  top_module(
    input a,
    input b,
    output out
);
    genvar i;
    generate
        for(i=0; i<8; i++)  begin: gen_mod_a   //  gen_mod_a 为每个begin_end的结构的名称
            mod_a instance2 (.in1(a), .in2(b), .out(out));
        end
    endgenerate
endmodule

• 注意：模块多次实例化时必须写每个begin_end结构的名称(gen_mod_a)
• 仿真器会通过gen_mod_a来标识生成结构: gen_mod_a[0],gen_mod_a[1]....

 0.2.3 initial块 

        initial块可以理解为一个初始化块，在initial的起始位置的语句在0时刻即开始执行，之后如果遇到延时，则延时之后执行接下来的语句。

        初始块是不可综合的，因此不能将其转化为带有数字元素的硬件原理图。因此初始块除了在仿真中使用外，并没有太大的作用。

如:在仿真文件中初始化各种参数：

initial                                                
begin                                                  
    sys_clk    = 1'b1;                
    sys_rst_n  = 1'b0; 
	#50
	sys_rst_n  = 1'b1;                
end  

注意：

• initial 块在电路中不可综合，故一般不出现在RTL代码中
•  initial 一般只在仿真文件中使用

若需要在RTL代码中初始化参数，需要用always块，用initial块会导致错误！

如下所示，在RTL代码中初始化存储器的方式为：

reg [255:0]char_data[4:0];

always@(posedge clk)
    begin
        char_data[0]     <=  256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
        char_data[1]     <=  256'h0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000;
        char_data[2]     <=  256'h0000000000000000000000200000000000000000002000000008000010000000;
        char_data[3]     <=  256'h000000000000000000000038000000000000020000380000000600001C000000;
        char_data[4]     <=  256'h02000000000100000000003E0000000000000700003E0000000780001F000000;
    end

0.3 赋值方式

Verilog 中赋值方式有三种： 连续赋值、阻塞赋值、非阻塞赋值

0.3.1 连续赋值(assign)

assign x = y;

• 该语句表示把x和y两个信号进行连接，真实的物理连接！
• 不能在always块中使用

0.3.2 阻塞赋值(=)

// 组合块
always @(*)  begin
	out1 = a ;
    a = b ;
    out2 = a ;
end

• 组合always块中用阻塞式赋值
• 执行顺序：按照begin_end语句块中的顺序依次执行，上述输出结果为：out1 = a ，out2 = b

 0.3.3 非阻塞赋值(<=)

// 时序块
always @(posedge clk)  begin
	out1 <= a ;
    a <= b ;
    out2 <= a ;
end

• 时序always块中用非阻塞赋值
• 执行顺序：begin_end中所有语句并行执行，上述输出结果为：out1 = a ，out2 = a

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第一章   基础语法

1.1 标识符

(1)用途： 标识符用于定义常数、变量、信号、端口、参数名、模块名等。

(2)组成： 字母、数字、$、下划线任意组合而成

(3)注意事项：

• 区分大小写(Verilog 和 verilog是不同的)
• 第一个字符只能是字母或下划线(123demo 是非法标识符)

1.2 逻辑值与逻辑运算

1.2.1 逻辑值

Verilog中有4中逻辑值：0、1、x、z

• 0:  低电平
• 1：高电平
• x:  表示状态未知
• z：表示高阻状态

注意：这里的z、x是不区分大小写的(X、Z也可)

1.2.2 逻辑运算

(1) 逻辑运算符：&&(与)、==（相等）、||（或）、!=（不等）

• 如 m&&n  : 判断m和n是否全为真(非0即为真)，真则输出1'b1，否则输出1'b0 (4’b1010&4’b0101 = 1’b1)
• 最后输出结果只有1bit

(2) 按位运算符： &、|、~、^、~&、~^、~| 

• 如 m&n  : 是把m的每一位与n的每一位按位做与运算 (4’b1010&4’b0101 = 4’b0000)
• 输出结果与m/n的bit数相同

(3) 归约运算符：  &、|、~、^、&、~^、~| 

• 只有一个参量参与运算时( &为一元运算符),表示规约与，即向量内部进行与运算

&a [3：0] // AND:a[3]&a[2]&a[1]&a [0]相当于(a[3：0]== 4'hf)
|b [3：0] // OR: b[3]|b[2]|b[1]|b [0]相当于(b[3：0]!= 4'h0)
^c [2：0] // XOR:c[2]^c[1]^c[0]

• 即(&4’b0101 = 0&1&0&1 = 1'b0 )
• 最后输出结果只有1bit

1.3 常量的表示方法

与C语言类似，常量主要有：整数型、实数型和字符串型三种

1.3.1 用十进制整数表示整型常量

(1) 正数： 直接写 10 表示位宽为32bit的十进制整数(系统默认)

(2) 负数：  -10需要用二进制补码表示，多了一位符号位(1 1010)

(3) 用科学计数法表示：12.345e3   表示 12345

1.3.2 用基数法表示整数型常量

[换算成二进制数后的位宽]'[数制符号][与数制对应的值]

(1) 二进制(b):     8'b1000_1100      

(2) 十六进制(h):  8'h8c

(3) 八进制(o):      8'o214

(4) 十进制(d):      8'140

注意事项：

• 当表示二进制时，最好每4位写一个下划线以增强可读性：如8'b1000_1100   与8'b10001100 是一样的
• 基数表示法中遇到x时：十六进制表示4个x，八进制中表示3个x  
• 当位宽大于二进制位数时左边自动补0，小于二进制数时2从左边截断！

1.3.3 字符串(用双引号)

(1) 每个字符由1个8位的ASCII码值表示，即需要1byte存储空间

(2) 如：“Hello world”   字符串由11个ASCII符号构成，需要11byte存储空间

1.3  注释方式

Verilog中注释主要有行注释(//)和块注释(/*  ....     */)两种，表示方法与C语言一致！

// 行注释

/*
        块注释

*/

1.4 变量(wire、reg)

Verilog中的变量主要有两种： wire和reg

1.4.1 wire

(1) 线网型(wire): 表示电路间的物理连接，wire定义的变量也可看成信号端口

(2) 当两个wire信号被连续赋值时，在逻辑块中会被映射成真实的物理连线，此时这两个信号端口的变化是同步的！

wire a;

wire b;

assign b = a;    // 表示a与b之间生成实际的物理连线

1.4.2 reg

(1) 寄存器型(reg): 表示一个抽象的数据存储单元

(2) reg 具有对某一时间点状态进行保持的功能

1.4.3 用法与注意事项

(1) 在always、initial语句中被赋值的变量(赋值号左边的变量)都是reg型变量

(2) 在assign语句中被赋值的变量，为wire型变量

1.5 向量(vector)与 参数(常量)

1.5.1 parameter 参数(常量)

(1) 参数是一种常量，通常出现在module内部，常被用于定义状态、数据位宽等

parameter STATE = 1'b0;

(2) 只作用于声明的那个文件，且可以被灵活改变！

(3) 局部参数localparam，只在本模块中使用

localparam  STATE= 1'b1’;

(4) 参数的名称一般为大写，以区分其他变量 

1.5.2 向量(vector)

vector(向量)，是一组信号的集合,可视为位宽超过1bit  的 wire 信号。

(1) 定义方式：

格式：input/output  wire/reg [upper:lower] vector_name

//输入输出型
input [7:0] a,b,
output reg [7:0] out

// 模块中间向量
wire [7:0] c, e;
reg [7:0] d;

• [upper:lower] 定义位宽，如 [7:0] 表示位宽为8 bit ，即upper=7，lower=0
• vector_name可以一次写多个向量

1.5.3 向量片选

• a[3:0]   取向量a的0~4位数据
• b[n]      取向量b的第n位数据
• c[-1:-2]  取向量c的最低2位数据
• c[0:3]     取向量c的最高4位数据

多路选择器应用：实现一个 256 选 1 选择器，sel 信号作为选择信号，当 sel = 0 时选择 in[3:0]，sel = 1 时选择 in[7:4],以此类推。

module top_module (
	input [1023:0] in,
	input [7:0] sel,
	output [3:0] out
);
	assign out = {in[sel*4+3], in[sel*4+2], in[sel*4+1], in[sel*4+0]};

	// assign out = in[sel*4 +: 4];		
	// assign out = in[sel*4+3 -: 4];	
endmodule

• 片选信号sel输入为n位二进制数，当参与运算、充当索引时会自动转换成十进制数
• 该题所选取的信号片段为: in[sel*4+3: sel*4] ,但这不符合Verilog的片选语法规则故应写成：
  in[sel*4 +: 4]   表示索引从sel*4开始的高4bit信号
  in[sel*4+3 -: 4] 表示索引从sel*4+3开始的低4bit信号
• 或是直接选出需要的每一位，再用{ }拼接成新向量：
  {in[sel*4+3], in[sel*4+2], in[sel*4+1], in[sel*4+0]}

参考文章：HDLBits：在线学习 Verilog （十三 · Problem 60-64） - 知乎 (zhihu.com)

1.6 三元表达式

(1) 与C语言相同，Verilog也有三元表达式：

condition ? if_true : if_false

当条件为真，表达式值为if_true ，否则表达式值为if_false。

(2) 应用

(sel ? b : a)   // 一个二选一MUX，通过sel的值选择a或者b

always @(posedge clk)         // 一个T触发器
  q <= toggle ? ~q : q;

assign out = ena ? q : 1'bz;  // 三态缓冲器

(3) 参考文章： HDLBits：在线学习Verilog（八 · Problem 35-39） - 知乎 (zhihu.com)

1.7 分支语句(if-else、case)

1.7.1 if-else语句

(1) 最常用的形式：(优势：输出的所有可能都写到，不存在未知电平输出！)

if(<条件表达式 1>)
    语句或语句块 1;
else if(<条件表达式 2>)
    语句或语句块 2;
    ………
else
    语句或语句块 n;

(2)  不建议使用if-else嵌套，会存在优先级问题，导致逻辑混乱，

(3)  所有if-else语句都应写成(1)的形式！

(4) 根据条件表达式依次比较，存在优先级！

1.7.2 case 语句

(1) 书写形式：

case(<控制表达式>)
    <分支语句 1> : 语句块 1;
    <分支语句 2> : 语句块 2;
    <分支语句 3> : 语句块 3;
    ………
    <分支语句 n> : 语句块 n;

    default : 语句块 n+1;
endcase

比较<控制表达式>与<分支语句n>的取值相等则执行对应语句，否则执行default后语句！

(2) 执行完某一分支语句后立即跳出case语句结构，终止case语句执行。

(3) <分支语句n>的取值必须互不相同！

(4) 以encase结束case语句块

(5) 各分支语句间不存在优先级！

(6) 具体应用: 用case语句搭建多路选择器，（以9选1多路选择器为例）

module top_module( 
    input [15:0] a, b, c, d, e, f, g, h, i,
    input [3:0] sel,
    output [15:0] out );
    always @(*) begin
        case(sel)
            4'h0:begin out = a; end
            4'h1:begin out = b; end
            4'h2:begin out = c; end
            4'h3:begin out = d; end
            4'h4:begin out = e; end
            4'h5:begin out = f; end
            4'h6:begin out = g; end
            4'h7:begin out = h; end
            4'h8:begin out = i; end
            default: out = 16'hffff;
        endcase
    end
endmodule

1.8 for循环语句

(1) 书写形式：

integer i;
always @(*)  begin 
    for(i=0; i<n; i++)  begin: for_name
        <循环语句>
    end
end

• 执行<循环语句>n次
• for_name为每一次循环的名称

1.9 关系运算符(>、<、>=、<=)

• 运算结果为真返回 1
• 运算结果为假返回 0
• 若某个操作数值不定(x)，则返回值为 x

2.0  拼接运算符({ , })

2.0.1 拼接

用一对花括号加逗号组成“{ , }”拼接运算符，逗号隔开的数据按顺序拼接成新数据！

wire [1:0] a;
wire [3:0] b;
wire [5:0] c;
wire [11:0] d = {a, b, c} 

2.0.2 通过拼接实现移位

在左边拼接实现右移，右边拼接实现左移！

always @(posedge clk) begin
    if(rst_n == 1'b0)
        out <= 4'b0;
    else
        out <= {in, out[3:1]};    // 右移
end

2.0.2 连接符中重复多次的操作

语法： {重复次数{vector}}

{3{a}} = {a, a, a}
{3'd5, {2{3'd6}}}   // 9'b101_110_110.

2.1  移位运算符

移位运算符用于将左边操作数左移或右移指定的位数！移位后空闲位用0填充。

• 左移运算符： <<

如： 4‘b1101 << 3 结果为：4‘b1000

• 右移算法符:   >>

如： 4‘b1101 >> 3 结果为：4‘b0001 

• 移位运算符其他用途：左移一位可以看成是乘以 2，右移一位可以看成是除以 2。
• 移位运算符代替乘除法可以节省资源！

3  二进制全加器

• a、b为输入 1bit 数据
• cin为上一个加法器进位输入
• cout为本加法器的进位输出
• sum = a+b

代码实现：

module add1 (
	input a,
	input b,
	input cin,	
	output sum,
	output cout
);
	assign sum = a^b^cin;
	assign cout = (a&b) | (a&cin) | (b&cin);
endmodule

4 16进制全加器

16进制全加器如上图所示，它可由上节中16个二进制全加器组合而成。

用Verilog实现16进制全加器代码为：

module add16 (	
	input [15:0] a,
	input [15:0] b,
	input cin,
	
	output [15:0] sum,
	output cout
);
	wire [16:0] Add_cin;
	assign Add_cin[0] = cin;    // 上图中第一个二进制加法器进位输入为0 assign Add_cin[0] = 1b'0;

//  用 generate 进行模块多次实例化
// generate 应用范围：对矢量(vector)多个位重复操作，模块重复实例化
	genvar i;
	generate
		for(i=0; i<16; i++) begin: gen_add16		// gen_add16 为每个begin_end的结构，仿真器会通过他来标识生成结构，gen_add16[0],gen_add16[1]....
			add1 Add16(.a(a[i]), .b(b[i]), .cin(Add_cin[i]), .sum(sum[i]), .cout(Add_cin[i+1]));
		end
	
	endgenerate
	
	assign cout = Add_cin[16];

endmodule

5 模块中的参数传递

5.1 定义可传递参数的模块

module counter
// 参数传递
#(
    parameter COUNT_MAX = 25'd24_999_999,
    parameter STATE     = 1'b0            // 多个参数用逗号隔开
)
(
    input  wire  sys_clk,
    output reg led_out
);
// 代码主体
endmodule

5.2 带参数模块的实例化

// 参数传递
#(
   .COUNT_NUM( 25'd24_999_999),        // 传入参数
   .STATE(1'b0)
)
counter1_init      // 实例化模块的名称位置
(
    .sys_clk   (sys_clk),
    .led_out(led_out)
); 

参考资料：

[1] 野火《FPGA Verilog开发实战指南》：[野火]FPGA Verilog开发实战指南——基于Altera EP4CE10 征途Pro开发板 — [野火]FPGA Verilog开发实战指南——基于Altera EP4CE10 征途Pro开发板 文档 (embedfire.com)https://doc.embedfire.com/fpga/altera/ep4ce10_pro/zh/latest/index.html

[2] HDLBits中文导学：HDLBits 中文导学 - 知乎 (zhihu.com)