Verilog HDL數(shù)字集成電路設計原理與應用（第三版）課件 第2章 Verilog HDL基礎知識

2.1VerilogHDL的語言要素

2.2模塊

2.3端口2.1VerilogHDL的語言要素2.1.1符號1．空白符空白符包括空格符(\b)、制表符(\t)、換行符和換頁符。空白符使代碼看起來結構清晰，閱讀起來更方便。在編譯和綜合時，空白符被忽略。VerilogHDL程序可以不分行，也可以加入空白符采用多行編寫。2.注釋符VerilogHDL中允許插入注釋，表明程序代碼功能、修改、版本等信息，以增強程序的可讀性和幫助管理文檔。VerilogHDL中有以下兩種形式的注釋：(1)單行注釋。單行注釋以“//”開始，VerilogHDL忽略從此處到行尾的內容。(2)多行注釋。多行注釋以“/*”開始，到“*/”結束，VerilogHDL忽略其中的注釋內容。需要注意的是，多行注釋不允許嵌套，但是單行注釋可以嵌套在多行注釋中。3.標識符和轉義標識符在VerilogHDL中，標識符(Identifier)被用來命名信號、模塊、參數(shù)等，它可以是任意一組字母、數(shù)字、$符號和_(下畫線)符號的組合。應該注意的是，標識符的字母區(qū)分大小寫，并且第一個字符必須是字母或者下畫線。為了使用標識符集合以外的字符或標號，VerilogHDL規(guī)定了轉義標識符(EscapedIdentifier)。采用轉義標識符，可以在一條標識符中包含任何可打印的字符。轉義標識符以“\”(反斜線)符號開頭，以空白結尾(空白可以是一個空格、一個制表字符或換行符)。4.關鍵字VerilogHDL內部已經使用的詞稱為關鍵字或保留字，它是VerilogHDL內部的專用詞，是事先定義好的確認符，用來組織語言結構。用戶不能隨便使用這些關鍵字。需注意的是，所有關鍵字都是小寫的。例如，ALWAYS不是關鍵字，它只是標識符，與always(關鍵字)是不同的。表2.1-1所示為VerilogHDL中的常用關鍵字。5.數(shù)值VerilogHDL中有四種基本的邏輯數(shù)值狀態(tài)[0、1、x(X)、z(Z)]，用數(shù)字或字符表達數(shù)字電路中傳送的邏輯狀態(tài)和存儲信息。其中，x和z都不區(qū)分大小寫，也就是說，0x1z與0X1Z是等同的。VerilogHDL中的四值電平邏輯如表2.1-2所示。在數(shù)值中，下畫線符號“_”除了不能放于數(shù)值的首位外，可以隨意用在整型數(shù)與實型數(shù)中，它們對數(shù)值大小沒有任何改變，只是為了提高可讀性。例如，16'b1011000110001100和16'b1011_0001_1000_1100的數(shù)值大小是相同的，只是后一種表達方式的可讀性更強。1)整數(shù)及其表示VerilogHDL中的整數(shù)可以是二進制(b或B)、八進制(o或O)、十進制(d或D)、十六進制(h或H)，其基數(shù)符號與可以采用的數(shù)字字符集如表2.1-3所示。整數(shù)的表示形式如下：+/-<size>'<base_format><number>其中：“+/-”是正數(shù)和負數(shù)標識；size指換算后的二進制數(shù)的寬度；“?'?”為基數(shù)格式表示的固有字符，該字符不能缺省，否則為非法表示形式；base_format是其基數(shù)符號；number是可以使用的數(shù)字字符集，形式上是相應進制格式下的一串數(shù)值。使用整數(shù)時需要注意的是：(1)較長的數(shù)之間可以用下畫線來分開，目的是提高可讀性，下畫線本身沒有意義，如16'b1110_1011_0011_1010，但下畫線符號不能用作首字符。(2)當數(shù)字沒有說明位寬時，默認為32位。(3)?x或z在二進制中代表1位x或z，在八進制中代表3位x或z，在十六進制中代表4位x或z，其代表的寬度取決于所用的進制。(4)若沒有定義一個整數(shù)的位寬，其寬度為相應值中定義的位數(shù)。(5)若定義的位寬比實際數(shù)的位數(shù)大，則在左邊用0補齊。但如果數(shù)的最左邊一位為x或z，就相應地用x或z在左邊補齊。如果定義的位寬比實際數(shù)的位寬小，那么最左邊的位被截斷。(6)?“?”是高阻態(tài)z的另一種表示符號。在數(shù)字的表示中，字符“?”和Z或z是等價的，可互相替代。(7)整數(shù)可以帶正、負號，并且正、負號應寫在最左邊。負數(shù)表示為二進制的補碼形式。(8)如果位寬和進制都缺省，則代表十進制數(shù)。例如：-15代表十進制數(shù)?-15。(9)數(shù)字中不能有空格，但在表示進制的字母兩側可以有空格。2)實數(shù)及其表示實數(shù)有以下兩種表示方法：(1)十進制表示法。采用十進制格式，小數(shù)點兩邊必須都有數(shù)字，否則為非法的表示形式。(2)科學記數(shù)法。VerilogHDL還定義了實數(shù)轉換為整數(shù)的方法，實數(shù)通過四舍五入轉換為最相近的整數(shù)。3)字符串及其表示字符串是指用雙引號括起來的字符序列，它必須包含在同一行中，不能分行書寫。若字符串用作VerilogHDL表達式或賦值語句中的操作數(shù)，則字符串被看作8位的ASCII值序列，即一個字符對應8位的ASCII值。2.1.2數(shù)據(jù)類型在VerilogHDL中，常見的數(shù)據(jù)類型有wire、tri、tri0、tri1、wand、triand、trireg、trior、wor、supply0、supply1、reg、integer、time、real、parameter。按照抽象程度，VerilogHDL的數(shù)據(jù)類型又可劃分為兩大類：物理數(shù)據(jù)類型(主要包括連線型及寄存器型)和抽象數(shù)據(jù)類型(主要包括整型、時間型、實型及參數(shù)型)。物理數(shù)據(jù)類型的抽象程度比較低，與實際硬件電路的映射關系比較明顯；抽象數(shù)據(jù)類型則是進行輔助設計和驗證的數(shù)據(jù)類型。1.物理數(shù)據(jù)類型VerilogHDL中最主要的物理數(shù)據(jù)類型是連線型、寄存器型和存儲器型，并使用四種邏輯電平和八種信號強度對實際的硬件電路建模。四值邏輯電平是對信號的抽象表示(見表2.1-2)。信號強度表示數(shù)字電路中不同強度的驅動源，用來解決不同驅動強度下的賦值沖突；對邏輯0和1可以用表2.1-4中列出的信號強度值表示，驅動強度從supply到highz依次遞減，例如(supply0，strong1)表示邏輯0的驅動程度是supply，邏輯1的驅動程度是strong。1)連線型連線型變量包含多種類型，表2.1-5給出了各種連線型數(shù)據(jù)類型及其功能說明。連線表示邏輯單元的物理連接，可以對應為電路中的物理信號連線，這種變量類型不能保持電荷(除trireg之外)。連線型變量必須有驅動源，一種是連接到一個門或者模塊的輸出端，另一種是用assign連續(xù)賦值語句對它進行賦值。若沒有驅動源，將保持高阻態(tài)z。(1)?wire和tri。在眾多的連線型數(shù)據(jù)類型中，最常見的是wire(連線)和tri(三態(tài)線)兩種，它們的語法和語義一致。不同之處在于：wire型變量通常用來表示單個門驅動或連續(xù)賦值語句驅動的連線型數(shù)據(jù)，tri型變量則用來表示多驅動器驅動的連線型數(shù)據(jù)，主要用于定義三態(tài)的線網(wǎng)。wire/tri的真值表如表2.1-6所示。上述真值表可以理解為，同時有兩個驅動強度相同的驅動源來驅動wire或tri變量時的輸出結果。(2)?wor和trior。當有多個驅動源驅動wor和trior型數(shù)據(jù)時，將產生線或結構，其真值表如表2.1-7所示。(3)?wand和triand。當有多個驅動源驅動wand和triand型數(shù)據(jù)時，將產生線與結構，其真值表如表2.1-8所示。(4)?tri0和tri1。tri0(tri1)的特征是：若無驅動源驅動，則其值為0(tri1的值為1)。在有多個驅動源的情況下，tri0/tri1的真值表如表2.1-9所示。(5)?supply0和supply1。supply0用于對“地”建模，即低電平0；supply1用于對電源建模，即高電平1。例如：supply0表示Gnd，supply1表示Vcc。(6)?trireg。trireg能存儲數(shù)值(類似于寄存器型數(shù)據(jù)類型)，并且用于電容節(jié)點的建模。當三態(tài)寄存器(trireg)的所有驅動源都處于高阻態(tài)z時，三態(tài)寄存器連線將保存作用在線網(wǎng)上的最后一個邏輯值。三態(tài)寄存器連線的缺省初始值為x。trireg連線型數(shù)據(jù)用于模擬電荷存儲。電荷量強度可由small、medium、large三個關鍵字來控制。默認的電荷強度為medium。一個trireg連線型數(shù)據(jù)能夠模擬一個電荷存儲節(jié)點，該節(jié)點的電荷量將隨時間而逐漸衰減。對于一個trireg連線型數(shù)據(jù)，電荷衰減時間就是定義的仿真延遲時間。2)寄存器型reg型變量是最常見也是最重要的寄存器型數(shù)據(jù)類型，它是數(shù)據(jù)存儲單元的抽象類型，其對應的硬件電路元件具有狀態(tài)保持作用，能夠存儲數(shù)據(jù)，如觸發(fā)器、鎖存器等。reg型變量常用于行為級描述中，由過程賦值語句對其進行賦值。reg型數(shù)據(jù)與wire型數(shù)據(jù)的區(qū)別在于，reg型數(shù)據(jù)保持最后一次的賦值，而wire型數(shù)據(jù)需要有持續(xù)的驅動。一般情況下，reg型數(shù)據(jù)的默認初始值為不定值x，缺省時的位寬為1位。reg型變量一般為無符號數(shù)，若將一個負數(shù)賦給reg型變量，則自動轉換成其二進制補碼形式。在過程塊內被賦值的每一個信號都必須定義成reg型，并且只能在always或initial過程塊中賦值，大多數(shù)reg型信號常常是寄存器或觸發(fā)器的輸出。2.連線型和寄存器型數(shù)據(jù)類型的聲明1)連線型數(shù)據(jù)類型的聲明缺省的連線型數(shù)據(jù)的默認類型為1位(標量)wire類型。VerilogHDL中禁止對已經聲明過的網(wǎng)絡、變量或參數(shù)再次聲明。連線型數(shù)據(jù)類型聲明的一般語法格式如下：

<net_declaration><drive_strength><range><delay>[list_of_variables];其中，drive_strength、range、delay為可選項，而list_of_variables為必選項。

說明：(1)?net_declaration：連線型數(shù)據(jù)類型，可以是wire、tri、tri0、tri1、wand、triand、trior、wor、trireg、supply1、supply0中的任意一種。(2)?drive_strength：連線型變量的驅動強度。對于trireg類型，聲明的是charge_strength(電荷強度)。(3)?range：指定數(shù)據(jù)為標量或矢量。若該項默認，則表示數(shù)據(jù)類型為1位的標量；若超過1位，則為矢量形式。

(4)?delay：指定仿真延遲時間。

(5)?list_of_variables：變量名稱，一次可定義多個名稱，之間用逗號分開。除了邏輯值外，VerilogHDL還用強度值來解決數(shù)字電路中不同強度的驅動源之間的賦值沖突，強度等級說明見表2.2-1。如果兩個具有不同強度的信號驅動同一個線網(wǎng)，則競爭結果為高強度信號的值；如果兩個強度相同的信號之間發(fā)生競爭，則結果為不確定值。2)寄存器型數(shù)據(jù)類型的聲明reg型數(shù)據(jù)類型聲明的一般語法格式如下：reg<range><list_of_register_variables>;其中，range為可選項，它指定了reg型變量的位寬，缺省時為1位。

說明：list_of_register_variables：變量名稱列表，一次可以定義多個名稱，之間用逗號分開。3)物理數(shù)據(jù)類型聲明示例前面已經了解了連線型數(shù)據(jù)和寄存器型數(shù)據(jù)這兩種物理數(shù)據(jù)類型的聲明格式，下面舉例來說明這兩種聲明格式的用法。3.存儲器型存儲器型(memory)本質上還是寄存器型變量陣列，只是VerilogHDL中沒有多維數(shù)組，所以就用reg型變量建立寄存器組(數(shù)組)來實現(xiàn)存儲器的功能，也就是擴展的reg型數(shù)據(jù)地址范圍。存儲器型變量可以描述RAM型、ROM型存儲器以及reg文件。數(shù)組中的每一個單元通過一個數(shù)組索引進行尋址。

存儲器型變量的一般聲明格式如下：reg<range1><name_of_register><range2>;其中，range1和range2都是可選項，缺省時都為1。

說明：(1)?range1：存儲器中寄存器的位寬，格式為[msb:lsb]。(2)?range2：寄存器的個數(shù)，格式為[msb:lsb]，即有msb-lsb+1個。(3)?name_of_register：變量名稱列表，一次可以定義多個名稱，之間用逗號分開。4.抽象數(shù)據(jù)類型除了物理數(shù)據(jù)類型外，VerilogHDL還提供了整型(integer)、時間型(time)、實型(real)及參數(shù)型(parameter)等幾種抽象數(shù)據(jù)類型。它們只是純數(shù)學的抽象描述，不能與實際的硬件電路相映射。1)整型整型數(shù)據(jù)常用于對循環(huán)控制變量的說明，在算術運算中被視為二進制補碼形式的有符號數(shù)。除了寄存器型數(shù)據(jù)被當作無符號數(shù)來處理之外，整型數(shù)據(jù)與32位寄存器型數(shù)據(jù)在實際意義上相同。整型數(shù)據(jù)的聲明格式如下：integer<list_of_register_variables>;2)時間型時間型數(shù)據(jù)與整型數(shù)據(jù)類似，只是它是64位的無符號數(shù)。時間型數(shù)據(jù)主要用于處理模擬時間的存儲與計算，常與系統(tǒng)函數(shù)$time一起使用。時間型數(shù)據(jù)的聲明格式如下：time<list_of_register_variables>;3)實型VerilogHDL支持實型常量與變量。實型數(shù)據(jù)在機器碼表示法中是浮點型數(shù)值，可用于對延遲時間的計算。實型數(shù)據(jù)的聲明格式如下：real<list_of_variables>;4)參數(shù)型在VerilogHDL中，參數(shù)是一個非常重要的數(shù)據(jù)類型，屬于常量，在仿真開始之前就被賦值，在仿真過程中保持不變。采用參數(shù)定義方法，可以提高程序的可讀性和可維護性。參數(shù)常用來定義延遲時間和變量的位寬。參數(shù)型數(shù)據(jù)的定義格式如下：parameter參數(shù)名1?=?表達式1，參數(shù)名2?=?表達式2，…，參數(shù)名n?=?表達式n;其中，表達式既可以是常數(shù)，也可以是常量表達式，即表達式中是常數(shù)或之前定義過的參數(shù)。參數(shù)定義完后，程序中出現(xiàn)的所有的參數(shù)名都將被替換為相對應的表達式。對于同一個模塊來說，參數(shù)一旦被定義，就不能夠通過其他語句對它重新賦值。下例是錯誤的，因為a被重復賦值。2.1.3運算符VerilogHDL的運算符主要針對數(shù)字邏輯電路制定，覆蓋范圍廣泛。VerilogHDL中的運算符及其運算優(yōu)先級如表2.1-10所示。不同的綜合開發(fā)工具在執(zhí)行這些優(yōu)先級時可能有微小的差別，因此在書寫程序時建議用括號來控制運算的優(yōu)先級，以有效避免錯誤，同時增加程序的可讀性。1.算術運算符VerilogHDL中常用的算術運算符有五種，分別是加法(?+?)、減法(?-?)、乘法(?*?)、除法(?/?)和取模(?%?)。這五種運算符都屬于雙目運算符。符號“+”“-”“*”“/”分別表示常用的加、減、乘、除四則運算；%?是取模運算，如“6%3”的值為0，“7%4”的值為3。在算術運算符的使用中，要注意如下問題：(1)算術運算結果的位寬。算術表達式結果的長度由最長的操作數(shù)決定。在賦值語句下，算術運算結果的長度由等號操作符左端的目標長度決定。(2)有符號數(shù)和無符號數(shù)的使用。在設計中要注意到哪些操作數(shù)應該是無符號數(shù)，哪些應該是有符號數(shù)。無符號數(shù)值一般存儲在線網(wǎng)、reg(寄存器)型變量及普通(沒有符號標記s)的基數(shù)格式表示的整型數(shù)中。有符號數(shù)值一般存儲在整型變量、十進制形式的整數(shù)、有符號的reg(寄存器)型變量及有符號的線網(wǎng)中。2.關系運算符關系運算符也是雙目運算符，是對兩個操作數(shù)的大小進行比較。關系運算符有大于(>)、小于(<)、大于等于(>=)和小于等于(<=)幾種。在進行關系比較時，如果成立則結果為1'b1，否則返回的結果為0'b0；若不確定則返回結果為不定值(x)。例如：10>15的結果為假(0)，20?>?18的結果為真(1)，而4'b1101?<?4'hx的結果為不定值(x)。需注意的是，若操作數(shù)長度不同，則長度短的操作數(shù)應在左邊用0補齊。例如：'b1001>='b101100等價于?'b001001>='b101101，結果為假(0)。3.相等關系運算符相等關系運算符是對兩個操作數(shù)進行比較，比較的結果有三種，即真(1)、假(0)和不定值(x)。VerilogHDL中有四種相等關系運算符：等于(==)、不等于(!=)、全等(===)、非全等(!==)。這四種運算符都是雙目運算符，要求有兩個操作數(shù)，并且這四種相等運算符的優(yōu)先級別是相同的?！?=”和“!=”稱為邏輯等式運算符，其結果由兩個操作數(shù)的值決定，由于操作數(shù)中某些位可能是不定值x和高阻態(tài)值z，所以結果可能為不定值x?！?==”和“!==”運算符則不同，它是對操作數(shù)進行按位比較，兩個操作數(shù)必須完全一致，其結果才是1，否則為0。若兩個操作數(shù)對應位同時出現(xiàn)不定值x和高阻值z，則可認為是相同的?！?==”和“!==”運算符常用于case表達式的判別，所以又稱為“case等式運算符”。表2.1-11列出了“==”和“===”的真值表，可幫助讀者理解兩者的區(qū)別。4.邏輯運算符邏輯運算符有三種，分別是邏輯與(&&)、邏輯或(||)和邏輯非(!)。其中邏輯與、邏輯或是雙目運算符，邏輯非為單目運算符。邏輯運算符的操作數(shù)只能是邏輯0或者邏輯1。三種邏輯運算符的真值表如表2.1-12所示。在邏輯運算符的操作過程中，如果操作數(shù)僅有1位，那么1就代表邏輯真，0就代表邏輯假；如果操作數(shù)是由多位組成的，則當操作數(shù)每一位都是0時才是邏輯0值，只要有某一位為1，這個操作數(shù)就是邏輯1值。例如：寄存器變量a、b的初值分別為4'b1110和4'b0000，則?!a?=?0，!b?=?1，a&&b?=?0，a?||?b?=?1。需注意的是，若操作數(shù)中存在不定態(tài)x，并且其他位都是0，則邏輯運算的結果也是不定態(tài)，例如：a的初值為4'b1100，b的初值為4'b00x0，則?!a?=?0，!b?=?x，a&&b?=?x，a?||?b?=?1。5.按位運算符數(shù)字邏輯電路中，信號與信號之間的運算稱為位運算。VerilogHDL提供了五種類型的位運算符：按位取反(~)、按位與(&)、按位或(|)、按位異或(^)、按位同或(^~)。按位運算符對其自變量的每一位進行操作。例如：表達式A|B的結果是A和B的對應位相或的值。表2.1-13～表2.1-15給出了按位與、按位或和按位異或運算符的真值表。需要注意的是，兩個不同長度的數(shù)進行位運算時，會自動地將兩個操作數(shù)按右端對齊，位數(shù)少的操作數(shù)會在高位用0補齊；然后逐位進行運算，運算結果的位寬與操作數(shù)中的位寬較大者相同。6.歸約運算符歸約運算符按位進行邏輯運算，屬于單目運算符。由于這一類運算符運算的結果是產生1位邏輯值，因而被形象地稱為縮位運算符。VerilogHDL中，縮位運算符包括?&(與)、|(或)、^(異或)以及相應的非操作?~&、~|、~^、^~。歸約運算符的操作數(shù)只有一個。歸約運算符的運算過程是：設a是一個4位的寄存器型變量，它的4位分別是a[0]、a[1]、a[2]?和a[3]。當對a進行縮位運算時，先對a[0]?和a[1]?進行縮位運算，產生1位的結果，再將這個結果與a[2]?進行縮位運算，接著是a[3]，最后產生1位的操作結果。7.移位運算符移位運算符有兩種：左移位運算符(<<)和右移位運算符(>>)。移位運算過程是將左邊(右邊)的操作數(shù)向左(右)移，所移動的位數(shù)由右邊的操作數(shù)來決定，然后用0來填補移出的空位。

8.條件運算符條件運算符(??:)是VerilogHDL里唯一的三目運算符，它根據(jù)條件表達式的值來選擇應執(zhí)行的表達式，其表達形式如下：<條件表達式>?<表達式1>:<表達式2>其中，條件表達式的運算結果有真(1)、假(0)和不定態(tài)(x)三種。當條件表達式的結果為真時，執(zhí)行表達式1；當條件表達式的結果為假時，執(zhí)行表達式2。如果條件表達式的運算結果為不定態(tài)x，則模擬器將按位對表達式1的值與表達式2的值進行比較，位與位的比較按表2.1-16的規(guī)則產生每個結果位，從而構成條件表達式的結果。9.連接和復制運算符VerilogHDL中還有兩個特殊的運算符：連接運算符({})和復制運算符({{}})。連接運算符是把位于大括號({})中的兩個或兩個以上信號或數(shù)值用逗號(?,?)分隔的小表達式按位連接在一起，最后用大括號括起來表示一個整體信號或數(shù)值，形成一個大的表達式。其格式如下：{信號1的某幾位，信號2的某幾位，…，信號n的某幾位}復制運算符({{}})將一個表達式放入雙重花括號中，復制因子放在第一層括號中。它為復制一個常量或變量提供了一種簡便的方法。2.2模

塊模塊(module)是VerilogHDL的基本單元，它代表一個基本的功能塊，用于描述某個設計的功能或結構，以及與其他模塊通信的外部端口。一個電路的設計不是一個模塊的設計，而是多個模塊的組合，因此一個模塊的設計只是一個系統(tǒng)設計中某個層次的設計。圖2.2-1是一個基本的模塊結構組成。從圖2.2-1中可以看出，一個模塊主要包括模塊的開始與結束、模塊端口定義、模塊數(shù)據(jù)類型說明和模塊邏輯功能描述幾個基本部分。(1)模塊的開始與結束：模塊在語言形式上是以關鍵詞module開始、以關鍵詞endmodule結束的一段程序，其中模塊開始語句必須以分號結束。模塊的開始部分包括模塊名(name)和端口列表(port_list)，模塊名是模塊唯一的標識符，而端口列表是由模塊各個輸入、輸出和雙向端口變量組成的一張列表，這些端口用來與其他模塊進行連接(不妨理解為集成電路的引腳)。(2)模塊端口定義：定義端口列表里的變量哪些是輸入(input)、輸出(output)和雙向端口(inout)以及位寬。(3)模塊數(shù)據(jù)類型說明：包括wire、reg、memory和parameter等數(shù)據(jù)類型，以說明模塊中所用到的內部信號、調用模塊等的聲明語句和功能定義語句。一般來說，module的input缺省定義為wire類型；output信號可以是wire類型，也可以是reg類型(條件是在always或initial語句塊中被賦值)；inout一般為tri(三態(tài)線)類型，表示有多個驅動源。(4)模塊邏輯功能描述：產生各種邏輯(主要是組合邏輯和時序邏輯)，主要包括initial語句、always語句、其他子模塊實例化語句、門實例化語句、用戶自定義原語(UDP)實例化語句、連續(xù)賦值語句(assig