Verilog学习笔记

sky视频笔记：数字逻辑回顾&Hello World_哔哩哔哩_bilibili

一、数电基础

1.组合逻辑

• 电路逻辑输出值只和当前的输入有关
• 比如：AND/OR/XOR/NAND/NOR/MUX/Adder/Multiplier

2.时序逻辑

• 电路逻辑输出值跟当前的输入和电路的当前状态有关
• 保存当前状态的器件，如：触发器Flip-Flop，锁存器Latch 二者区别： Flip-Flop和Latch - 知乎

3.逻辑值

• 逻辑状态

• 逻辑 0：表示低电平，也就对应我们电路 GND；
  逻辑 1：表示高电平，也就是对应我们电路的 VCC；
  逻辑 X：表示未知，有可能是高电平，也有可能是低电平，仿真发生了不能解决的逻辑冲突；
  逻辑 Z：表示高阻态，外部没有激励信号是一个悬空状态。相当于啥也没接，可以上拉或者下拉。

• 对于没有进行初始化的信号，一般处于不确定态（x），高阻态表示该信号没有被其他信号驱动，经常用于有多个驱动源的总线型数据上。

• 对于高阻态的理解：Verilog中三态门（高阻态）的理解与例子_CLL_caicai的博客-CSDN博客_verilog 高阻态

• 反相器(非门）

• 与门/或门/异或门

• 

二、Verilog介绍

1.概述

• 是一种硬件描述语言HDL，不是设计语言，先有电路，后有程序
• 类似的有VHDL、SystemVerilog、Chisel(未来的方向，目前不好说）
• 推荐书：国外的Verilog HDL 高级数字设计(第二版）—Miachael，D.Cilette和国内Verilog数字系统设计教程(第4版）夏宇闻。

2.可综合&不可综合

• 可综合描述：综合tool能够把Verilog描述转化(Comlile）为基本的数字电路底层cell(与或非门，寄存器等）

  例如：assign y = a & b;—>

• 不可综合描述：不能把Verilog描述转化为基本的数字电路底层cell的描述

  例如：$display("Hello world.\n");这种是需要串口。

3.Verilog设计仿真与实现

• 何为仿真？

  从仿真器的角度理解Verilog语言：从仿真器的角度理解Verilog语言 - 知乎

• 常用的仿真工具(所有verilog描述）

  • modelsim/Questasim (Mentor)
  • VCS                            (Synopsys)
  • NC-verilog                  (Candence)

• Verilog设计的物理实现(可综合verilog描述）

  • 综合后在IC芯片上实现
  • 综合后在FPGA上实现

4.数字电路设计方法学

• Top-Down：从顶层结构，算法/协议上开始。享下逐步划分功能模块；再细分各功能模块的功能和IO

三.Verilog语法介绍

1.标识符

• 首字母必须是字母/下划线
• 区分大小写
• 信号名字和信号功能对应

2.关键字

完整关键字定义，见verilog标准：IEEE Std 1364-2001

Verilog标识符与关键字_FPGA&IC设计导师的博客-CSDN博客_verilog标识符

initial一般是不可综合的，always是可综合的

3.数据物理类型

• “线”性数据：用于连续赋值语句(assign）描述组合逻辑或module间的信号连接线
  • wire：线性，可综合
    • wire a； //1bit位宽
    • assign a=1'b0; //连续赋值语句
  • tri0/tri1：带下拉/上拉电阻的线性，没有驱动时，会有默认值0/1，一半可综合代码不用。
• 寄存器类型：用于过程赋值语句(always，initial）描述组合逻辑/时序逻辑
  • reg d1；
  • d1<=din;//时序逻辑 d1 =din;//组合逻辑
  • 除了wire/tri0/tri1外的其他数据类型，基本都属于寄存器类型，只能用于过程赋值语句；
    • real 类似于float
    • interger //等价reg [31:0]
    • time/realtime

4.数据类型

• 一维标量类型(常量）

  • 整数型(需要明确指定数据位宽）：位宽代表转化为二进制数的位宽，达不到高位补0，多的，高位截断

    16'd100 //10进制表示的“100”

    16'h64 //16进制表示的“100”

    16'b0110_0100 //2进制表示的“100”

  • 实数型（可综合verilog不用）

  • 字符型（每个字符按8bit ASCII码的整型存储）

    “verilog” //占56bit

• 一维标量类型(变量）

  • 整数型(需要明确指定数据位宽）

•          实数型(目前不可综合）
• 多维标量类型(变量）

{}是用来合并的

• 片选

在 assign 赋值操作中，如果等号左右两侧信号的位宽不同，那么就会进行截断或者补零操作。

• 左侧信号位宽大于右侧信号位宽，右值的低位赋予左值对应的低位，左值高位的部分赋零。
• 左侧信号位宽小于右侧信号位宽，右值的低位赋予左值对应的低位，右值高位的部分直接被截断。即保留右值的低位。

使用 [] 可以对信号进行片选，选择信号中特定几位比特，以下是一些片选的例子。

w[3:0]      // Only the lower 4 bits of w
x[1]        // The lowest bit of x
x[1:1]      // ...also the lowest bit of x
z[-1:-2]    // Z 最低两位
b[3:0]      // 如果 b 在声明时 声明为 wire [0:3] b;则不能使用 b [3:0]进行选择
b[0:3]      // b的高四位.
assign w[3:0] = b[0:3];    // 将 b 的高位赋予 w 的低位 w[3]=b[0], w[2]=b[1], etc.

5. 运算符

• 按bit位逻辑操作：&(and), |(or), ^(xor),~(inv)
• 按整体运算：&&，||，！，==，! =, 返回值为0/1
• 条件运算符（三目运算符） 描述MUX ？：
• bit位选择[]/拼接{} a[0 +:8] 从0开始向上取8位，等价于a[7:0]
• 算术运算符：+，-，*，<，>,< =,> =,**/,% (**慎用）

6.条件语句

• if-else

if begin

end

• case/casez/casex（casez/casex非必要不用）

case(*)
3'b001: out = 0;
...
end case

7.module 功能模块构建

• 对于需要instance的模块，input 只能是wire，output可以是wire/reg

8.杂项

四、Verilog描述组合逻辑

1.MUX(多路选择器）

module mux4to1(s,d,y);
  input wire[1:0] s;
  input wire[3:0] d;
  output reg y;
  always @(*) begin
    case (s[1:0])
      2'd0:y = d[0];
      2'd1:y = d[1]; 
      2'd2:y = d[2];  
      default: y = d[3];
     endcase
   end
 endmodule

对应的电路图如下：

2.带有优先级的多路选择器(4选1）

module mux4to1(din,d,dout);
  input wire[1:0] din;
  input wire[3:0] d;
  output reg dout;
  always @(*) begin
     if(din[2])
       dout = d2;
     else if(din[1])
       dout = d1;
     else if(din[0])
       dout = d0;
      else dout= d3;
   end
 endmodule

3.译码器

• N-2^N译码器

  独热码：每次只有一位输出。

• 3-8译码器

module dec_3to8(
  din ,
  dout
 );
 input wire [2:0] din;
 ouput reg  [7:0] dout;

always @(*) begin
  case(din)
  3'b000:dout = 8'h01;
  3'b001:dout = 8'h02;
  3'b010:dout = 8'h04;
  3'b011:dout = 8'h08;
  3'b100:dout = 8'h10;
  3'b101:dout = 8'h20;
  3'b110:dout = 8'h40;
  3'b111:dout = 8'h80;
  endcase
  
end
endmodule

4.可综合常用语法：组合逻辑

//实现输出a+b-c
wire clk,rstn;
wire [15:0]a,b,c;
wire [17:0]out0;
reg [17:0[ out1;

assign out0 = {2'b0,a}+{2'b0,b}-{2'b0,c}; //连续赋值语句

always @(*) begin   //过程赋值语句
//always @(a or b or c) begin
  out1 = {2'b0,a}+{2'b0,b}-{2'b0,c};
end

• CSA（Carry Save Adder，进位保存加法器）

【HDL系列】进位保存加法器原理与设计 - 知乎

5.有符号数符号位扩展

• 有符号数符号位扩展

工具会默认把wire数当作有符号数

wire [15:0] a,b; //singned number
wire [16:0] out0;
wire [16:0] out1;

assign out0 = {a[15],a}-{b[15],b}; //
assign out1 = a-b;                 //这种会出错

五、Verilog描述时序逻辑

• 可综合常用语法：时序逻辑

//实现输出a+b-c
wire clk,rstn;
wire [15:0]a,b,c;
reg [17:0[ out2，out3; 

//1.同步复位
always @(posedge clk) begin
  if(!rstn)
    out2 <= 'd0;
   else
    out2 <= {2'b0,a}+{2'b0,b}-{2'b0,c};
end

//2.异步复位
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
  if(rstn)
    out3 <= {2'b0,a}+{2'b0,b}-{2'b0,c};
  else
    out3 <= 'd0;
end

[FPGA复位——同步复位和异步复位]https://www.jianshu.com/p/f2f78b4be64c

• 同步复位等效电路

  顾名思义，同步复位就是指复位信号只有在时钟上升沿到来时，才能有效。否则，无法完成对系统的复位工作。

• 异步复位等效电路

  它是指无论时钟沿是否到来，只要复位信号有效，就对系统进行复位。

六、Verilog语句执行顺序

• 连续赋值(assign)语句块，过程赋值(always，initial)语句块之间是并行执行的（只要触发条件满足，就开始执行）

连续赋值(assign x=y;)：不能在过程块内使用；
过程阻塞性赋值(x=y;)：只能在过程块中使用；
过程费阻塞性复制(x<=y)：只能在过程块内使用。

• 组合逻辑用阻塞赋值，时序逻辑用非阻塞赋值，同一个模块中不要既用阻塞又用非阻塞

1.initial、always、assign

• initial

  只能执行一次，在仿真一开始就执行，begin...end之间是顺序执行(非阻塞赋值除外)

initial
    begin
        语句1;
        语句2;
        ......
        语句n;
end

• always

  always 语句是重复执行的。always 语句块从 0 时刻开始执行其中的行为语句；当执行完最后一条语句后，便再次执行语句块中的第一条语句，如此循环反复。(非阻塞赋值除外)

  对于硬件综合来说，存在两种always块：

  组合逻辑：`always @(*)`
  
  时序逻辑：`always @(posedge clk)`
  

  时序always块也会像组合always块一样生成一系列的组合电路，但同时在组合逻辑的输出生成了一组触发器(或寄存器)。该输出在下一个时钟上升沿(posedge clk)后可见，而不是之前的立即可见。

always @ (event)
  [statement]

always @ (event) begin
  [multiple statements]
end

• assign

  assign相当于连线，一般是将一个变量的值不间断地赋值给另一个变量，就像把这两个变量连在一起，所以习惯性的当做连线用，比如把一个模块的输出给另一个模块当输入。只能用于阻塞赋值。

  要更好的把握assign的使用，Verilog中有几个要点需要深入理解和掌握： - 在Verilog module中的所有过程块（如initial块和always块）、连续赋值语句（如assign语句）和实例引用都是并行的。在同一module中这三者出现的先后顺序没有关系。 - 只有连续赋值语句assign和实例引用语句可以独立于过程块而存在于module的功能定义部分。 - 连续赋值assign语句独立于过程块，所以不能在always过程块中使用assign语句。

2.非阻塞赋值的执行顺序

• 所有过程赋值(always,initial)语句块中的非阻塞赋值(none blocking assignment：< =)是完全同时执行的

b<=a;
c<=b;
/*
clk0 b0=初值 c0也等于初值
clk1 b1=a c1=b0
clk2 b2=a c2=b1=a
*/

3.阻塞赋值的执行顺序

• 在同一个过程赋值(always，initial）语句块中，阻塞赋值(blocking assignment：=)是顺序执行的。

• 在同一个过程赋值(always，initial）语句块中，阻塞赋值的循序语法没有定义。

4.可综合code建议

• 描述组合逻辑使用"="赋值；
• 描述时序逻辑(DFF)使用"< ="赋值
• #1(delay)可以用，但是综合会被忽略
• 不要在多个语句块中，对同一个变量赋值
• 在一个always块内，该块的一次触发，对同一个信号最多只赋值一次

七.实际用处的电路

1.Edge检测

• 上升沿检测

  • 波形图：

    • 

  • 电路结构：

    • 

  • 代码

wire clk,rstn;
wire din;
reg  din_dly;
wire pulse;

assign pulse = din & (!din_dly);

always @(posedge clk or negedge rstn)
if(!rstn）
  din_dly <= 1'b0;
else
  din_dly <= din;

2.全加器

assign sum = a ^ b ^ cin;

assign cout = a&b | a&cin | b&cin;

<--> 
{cout,sum} = a + b + cin;

常见的错误来源

1.如何避免引入锁存器

在设计电路时，必须首先具体考虑电路：

1、我想实现一个逻辑门；

2、我想实现一个具有输入并产生输出的组合逻辑块；

3、我想实现一组组合逻辑，紧接着一组触发器。

不要上来就写代码，这样往往与你想象的电路相差很远。

除了你指定的情况以外，会发生些什么，答案是什么也不会发生，输出保持不变。而这往往就导致了电路的错误，所以说语法正确的代码不一定能产生合理的电路(组合逻辑+触发器)。

输出保持不变，这就意味着电路需要记住当前状态，从而产生锁存器。组合逻辑(比如逻辑门)不能记住任何状态。