數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第5章 Verilog 硬件描述語言和 Quartus軟件

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第5章Verilog硬件描述語言和Quartus軟件5.1

Verilog的基本結(jié)構(gòu)1）模塊定義：用module關(guān)鍵字開始定義，后面緊跟著模塊名和端口聲明列表。2）端口聲明：用input、output等關(guān)鍵字聲明，分別代表電路的輸入和輸出。3）內(nèi)部信號(hào)聲明：模塊中可以定義內(nèi)部信號(hào)，用于存儲(chǔ)計(jì)算過程中的中間結(jié)果或狀態(tài)。4）功能描述部分：用于描述模塊的功能行為，包括組合邏輯和時(shí)序邏輯。5.1.1模塊聲明5.1.2輸入和輸出端口聲明5.1

Verilog的基本結(jié)構(gòu)5.1.3信號(hào)類型聲明5.1

Verilog的基本結(jié)構(gòu)5.1.4功能描述（1）結(jié)構(gòu)描述結(jié)構(gòu)描述主要用于描述電路中的各種邏輯門電路、寄存器等結(jié)構(gòu)。（2）數(shù)據(jù)流描述數(shù)據(jù)流描述是一種基于行級(jí)的描述方式，常用于組合電路的描述。5.1

Verilog的基本結(jié)構(gòu)（3）行描述行為描述是一種描述電路行為的方式，相對(duì)于數(shù)據(jù)流描述。5.1.5模塊的實(shí)例化5.1

Verilog的基本結(jié)構(gòu)5.2

Verilog語法知識(shí)5.2.1詞法1.分隔符1）空格和制表符：用來分隔不同的關(guān)鍵字、運(yùn)算符、標(biāo)識(shí)符等?？崭窈椭票矸赩erilog中被視力相同的分隔符。2）逗號(hào)：用來分隔參數(shù)、端口、變量等列表中的不同元素。3）分號(hào)：用來表示語句的結(jié)束，通常在模塊實(shí)例化、過程塊結(jié)束等語句后使用。4）括號(hào)：用來表示不同的語句塊、表達(dá)式等，包括圓括號(hào)、方括號(hào)、大括號(hào)等。5.2

Verilog語法知識(shí)2.標(biāo)識(shí)符1）模塊名：用于標(biāo)識(shí)模塊，可以包含字母、數(shù)字和下畫線。模塊名是唯一的，不能重復(fù)。2）端口名：用于標(biāo)識(shí)模塊的輸入輸出端口，可以包含字母、數(shù)字和下畫線。5.2

Verilog語法知識(shí)3）信號(hào)名：用于標(biāo)識(shí)各種數(shù)據(jù)類型的變量，包括wire、reg、integer、parameter等。4）參數(shù)名：用于標(biāo)識(shí)模塊的參數(shù)。3.關(guān)鍵字4.注釋5.2

Verilog語法知識(shí)5.2.2常量1.邏輯值常量2.整數(shù)（1）十進(jìn)制整數(shù)表示十進(jìn)制整數(shù)可以使用數(shù)字0~9表示，不帶前綴，可以用負(fù)號(hào)表示負(fù)數(shù)，例如-10表示負(fù)十，100表正一百。（2）二進(jìn)制整數(shù)表示二進(jìn)制整數(shù)使用數(shù)字0和1表示，必須以“b”或“B”作為前綴，例如8'b10110101表示二進(jìn)制數(shù)10110101，長度力8位。（3）八進(jìn)制整數(shù)表示八進(jìn)制整數(shù)使用數(shù)字0~7表示，必須以“o”或“O”作前綴，例如16‘047表示八進(jìn)制數(shù)47，長度16位。（4）十六進(jìn)制整數(shù)表示十六進(jìn)制整數(shù)使用數(shù)字0~9和字母A~F（大小寫均可）表示，必須以“h”或“H”作為前綴，例如32‘h1A2B3C4D表示十六進(jìn)制數(shù)1A2B3C.4D，長度32位。5.2

Verilog語法知識(shí)3.買數(shù)5.2

Verilog語法知識(shí)4.字符串5.參數(shù)常量5.2

Verilog語法知識(shí)5.2.3變量1.wire型5.2

Verilog語法知識(shí)2.reg型3.數(shù)字型5.3運(yùn)算符5.3.1算術(shù)運(yùn)算符5.3.1算術(shù)運(yùn)算符1）邏輯非（！）：用于取反操作，例如！a。2）邏輯與（&）：用于執(zhí)行按位邏輯與操作，例如a&b。3）邏輯或（I）：用于執(zhí)行按位邏輯或操作，例如alb。5.3運(yùn)算符4）邏輯異或（^）：用于執(zhí)行按位邏輯異或操作，例如a^b。5）邏輯同或（~^）：用于執(zhí)行按位邏輯同或操作，例如a～b。5.3.3位運(yùn)算符1）按位與（&）：對(duì)兩個(gè)操作數(shù)的每個(gè)二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯與操作，結(jié)果是一個(gè)具有相同位數(shù)的新數(shù)。2）按位或（I）：對(duì)兩個(gè)操作數(shù)的每個(gè)二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯或操作，結(jié)果是一個(gè)具有相同位數(shù)的新數(shù)。3）按位異或（^）：對(duì)兩個(gè)操作數(shù)的每個(gè)二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯異或操作，結(jié)果是一個(gè)具有相同位數(shù)的新數(shù)。4）按位取反（~）：對(duì)操作數(shù)的每個(gè)二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯取反操作，結(jié)果是一個(gè)具有相同位數(shù)的新數(shù)。5.3運(yùn)算符5.3.4關(guān)系運(yùn)算符（1）大于（＞）如果左操作數(shù)大于右操作數(shù)，則該運(yùn)算符返回1，否則返回0。（2）小于（<）如果左操作數(shù)小于右操作數(shù)，則該運(yùn)算符返回1，否則返回0。（3）大于或等于（>=）如果左操作數(shù)大于或等于右操作數(shù)，則該運(yùn)算符返回1，否則返回0。（4）小于或等于（＜=）如果左操作數(shù)小于或等于右操作數(shù)，則該運(yùn)算符返回1，否則返回0。5.3.5等式運(yùn)算符（1）相等運(yùn)算符（==）當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)相等時(shí)，返回1，否則返回0。（2）不等運(yùn)算符（！=）當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)不等時(shí)，返回1，否則返回0。5.3運(yùn)算符5.3運(yùn)算符5.3.6移位運(yùn)算符5.3.6移位運(yùn)算符5.3.7條件運(yùn)算符5.3運(yùn)算符5.3.8位拼接運(yùn)算符（1）1｝運(yùn)算符用于將兩個(gè)或多個(gè)值拼接在一起，形成一個(gè)向量。（2）｛n｛|｝運(yùn)算符用于將一個(gè)值重復(fù)n次并形成一個(gè)向量。（3）｛，｝|運(yùn)算符用于將一個(gè)向量分成幾個(gè)部分，并且每個(gè)部分的位數(shù)可以是不同的。5.4語句5.4.1塊語句5.4.2賦值語句5.4語句5.4.3結(jié)構(gòu)聲明語句5.4.4任務(wù)語句和函數(shù)語句1.任務(wù)語句5.4語句5.4語句2．函數(shù)語句5.4語句5.4.5條件語句（1）if語句i語句用于在滿足某個(gè)條件時(shí)執(zhí)行特定的操作，其基本語法如下：5.4語句5.4語句（2）case語句case語句用于根據(jù)一個(gè)選擇變量的不同取值，執(zhí)行不同的操作，其基本語法如下：5.4語句5.4.6循環(huán)語句1.for循環(huán)5.4語句2.while循環(huán)5.4語句3.forever語句5.4語句4.repeat語句5.4.7編譯預(yù)處理1）'define：用于定義宏，例如defineWIDTH32。2）'ifde/ifndef/else/endif：用于條件編譯，例如'ifdefDEBUG…'endif。3）'include：用于包含文件，例如'include"myfile.v"。5.4語句5.4語句5.4.8系統(tǒng)任務(wù)（1）$display/Swrite用于在仿真時(shí)顯示消息。（2）$monitor用于在仿真時(shí)監(jiān)視信號(hào)的變化。（3）Stime用于獲取當(dāng)前仿真的時(shí)間。（4）$random用于生成偽隨機(jī)數(shù)。（5）$stop/$finish用于停止仿真。（6）$fatal/$error/$warning用于生成致命錯(cuò)誤、一般錯(cuò)誤和警告信息。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5.1Quartus簡介5.5.2QuartusPrime17.1軟件安裝5.5

Quartus軟件的基本操作與使用1）將下載的文件解壓到同一個(gè)文件下，如圖5-2所示，不改變文件夾下文件的位置。2）雙擊“QuartusLiteSetup-17.1.0.590-windows.exe”文件，進(jìn)入安裝界面，如圖5-3所示。3）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入“LicenseAgreement”界面，選擇“Iaccepttheagreement”選項(xiàng)，如圖5-4所示。4）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入“Installationdirectory”界面，選擇安裝路徑，如圖5-5所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入“SelectComponents”界面，選擇對(duì)應(yīng)的器件庫，并選擇仿真軟件ModelSim，如圖5-6所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用6）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入“ReadytoInstall”界面，在此界面確認(rèn)上述幾步操作設(shè)定的安裝信息，如圖5-7所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用7）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入“Installing”界面，顯示安裝的進(jìn)度信息，如圖5-8所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用8）安裝完成后，進(jìn)入安裝完成界面，顯示軟件安裝成功后的勾選框信息，如圖5-9所示。9）單擊“Finish”按鈕，完成QuartusPrime軟件、選擇的元器件及ModelSim軟件的安裝。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5.3QuartusPrime17.1的基本操作1）単由“始”→所有程序”→“Allera”→QuartusPrime17.1”，或者雙擊桌面上的QuartusPrime快捷方式圖標(biāo)，運(yùn)行QuartusPrime17.1軟件，出現(xiàn)圖5-10所不界面。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用2）單擊“File”?“NewProjectWizard”，新建一個(gè)工程，如圖5-11所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用2）單擊“File”“NewProjectWizard”，新建一個(gè)工程，如圖5-11所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用3）單擊圖5-11中的“Next”按鈕進(jìn)入工程名稱設(shè)定對(duì)話框，如圖5-12所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用4）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入工程類型選擇界面，此處可以選擇新建一個(gè)空的工程（Emptyproject）或者工程模板（Projecttemplate），如圖5-13所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入添加設(shè)計(jì)文件界面，如圖5-14所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用6）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入器件選擇界面，在此選擇合適的PLD/FPGA芯片型號(hào)，如圖5-15所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用7）單擊“Next”按鈕，進(jìn)入EDA工具設(shè)置界面，在此選擇EDA綜合、仿真、時(shí)序分析工具，如圖5-16所示。8）單擊“Next”按鈕，出現(xiàn)新工程的所有設(shè)定信息，如圖5-17所示，單擊“Finish”按鈕完成新工程的建立。9）單擊“File”?“New”，彈出新建對(duì)話框，在“DesignFiles”選項(xiàng)下選擇“VerilogHDLFile”，如圖5-18所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5

Quartus軟件的基本操作與使用10）建立了VerilogHIDL文件后，則自動(dòng)打開VerilogHDL編程界面，如圖5-19所示。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用11）在編程界面中進(jìn)行程序的編寫。12）代碼輸入結(jié)束后，單擊“Processing”“StartCompilation”對(duì)編寫的代碼進(jìn)行編譯，直到編譯通過。13）編譯通過后才能在工程中進(jìn)行仿真，可以仿真整個(gè)設(shè)計(jì)，也可以只仿真設(shè)計(jì)的一部分。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用14）單擊“OK”按鈕，彈出圖5-22所示的信號(hào)仿真界面，在“Name”區(qū)域雙擊以添加觀察信號(hào)，彈出圖5-23所示對(duì)話框。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用15）單擊“NodeFinder”按鈕，彈出圖5-24所示的對(duì)話框。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用16）信號(hào)選擇確認(rèn)后，回到信號(hào)仿真界面，如圖5-26所示，所選擇的信號(hào)已經(jīng)添加到信號(hào)仿真界面。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用5.5

Quartus軟件的基本操作與使用17）添加信號(hào)后，還需要選擇和調(diào)整相應(yīng)的激勵(lì)輸入信號(hào)。5.5

Quartus軟件的基本操作與使用18）單擊“Simulation”>“RunFunctionalSimulation”，系統(tǒng)開始仿真。19）仿真結(jié)束后，顯示界面如圖5-29所示，圖中cout、sum的波形為仿真得到的波形，可查看此仿真結(jié)果是否符合電路設(shè)計(jì)要求。5.6可編程邏輯器件5.6.1可編程邏輯器件的種類1.CPLD（1）可預(yù)測的計(jì)時(shí)特性由于CPLD的結(jié)構(gòu)固定，因此其計(jì)時(shí)特性是可預(yù)測的，這便得它在需要嚴(yán)格計(jì)時(shí)控制的設(shè)計(jì)中非常有用。（2）非易失性CPLD使用閃存或抗熔絲技術(shù)進(jìn)行編程，因此它是非易失性的。（3）低功耗相比于FPGA，CPL.D通常具有較低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。5.6可編程邏輯器件2.FPGA（1）高度靈活性FPGA的可編程邏輯塊和可編程的路由資源提供了極高的設(shè)計(jì)靈活性，使得它能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)字設(shè)計(jì)。（2）高門密度FPGA通常提供了極高的門密度，這使得它能夠?qū)崿F(xiàn)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)。（3）易失性FPGA通常使用SRAM進(jìn)行編程，因此它是易失性的。（4）高性能FPGA通常提供了非常高的性能，尤其是在處理并行計(jì)算和信號(hào)處理任務(wù)時(shí)。3.CPLD和FPGA的適用場景5.6可編程邏輯器件5.6.2基于可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)流程1.設(shè)計(jì)輸入2.邏輯綜合3.適配4.編程5.仿真測試5.6可編程邏輯器件5.6.3可編程邏輯器件的優(yōu)缺點(diǎn)1.PLD的優(yōu)點(diǎn)（1）靈活性PLD（如FPGA和CPLD）的最大優(yōu)點(diǎn)就是其靈活性。（2）可重配置性FPGA和CPLD都是可重配置的，這意味著設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)備工作過程中或者之后修改其硬件配置。（3）并行處理能力PLD可以并行執(zhí)行多個(gè)操作，這使得它在處理并行計(jì)算和信號(hào)處理任務(wù)時(shí)具有較高的效率。（4）快速原型設(shè)計(jì)使用PL.D，設(shè)計(jì)人員可以快速地進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。2.PLD的缺點(diǎn)（1）功耗盡管現(xiàn)代的PLD已經(jīng)作了許多功耗優(yōu)化，但是相比于定制的ASIC芯片，F(xiàn)PGA和CPLD5.6可編程邏輯器件通常仍然具有較高的功耗。（2）成本在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，PLD的成本通常高于定制的ASIC芯片。（3）性能由于FPGA和CPLD的資源是通用和可編程的，因此它們的性能通常無法達(dá)到定制的ASIC芯片的水平。（4）易失性許多FPGA使用SRAM進(jìn)行編程，因此它是易失性的，即當(dāng)電源關(guān)閉后，其配置信息將會(huì)丟失，需要在每次上電時(shí)重新配置。3.與傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較（1）復(fù)雜性和可擴(kuò)展性基本的數(shù)字電路器件通常用于實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯功能，而且當(dāng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性增加時(shí)，使用這些基本器件的難度也會(huì)隨之增加。（2）靈活性和重用性使用基本的數(shù)字電路器件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)通常是固定的，一旦硬件被實(shí)現(xiàn)，就很難修改或更新。（3）開發(fā)周期和成本使用基本的數(shù)字電路器件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)通常需要較長的開發(fā)周期和較高的成本，5.6可編程邏輯器件因?yàn)檫@可能需要進(jìn)行物理的硬件設(shè)計(jì)、制造和測試。5.6.4可編程邏輯器件在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（1）嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLD，尤其是FPGA，由于其在處理并行運(yùn)算和實(shí)時(shí)任務(wù)方面的優(yōu)勢，常被用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2）高性能計(jì)算在高性能計(jì)算領(lǐng)域，F(xiàn)PGA通常用作計(jì)算加速器。（3）數(shù)字信號(hào)處理（DSP）在音頻和視頻處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可以用來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。（4）通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)在無線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可以用來實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的通信協(xié)議。（5）系統(tǒng)測試和驗(yàn)證FPGA的可重配置性使其可以用于電子系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證。（6）原型設(shè)計(jì)