《電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐教程》課件第5章

第5章VerilogHDL語言簡介5.1VerilogHDL程序的基本構(gòu)成 5.2VerilogHDL語言的數(shù)據(jù)類型 5.3詞匯規(guī)定 5.4模塊和端口 5.5行為描述 5.6VerilogHDL語言編程練習

VerilogHDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開關(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對象的復雜性可以介于簡單的門和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。數(shù)字系統(tǒng)能夠按層次描述，并可在相同描述中顯式地進行時序建模。VerilogHDL語言具有下述描述能力：設(shè)計的行為特性、設(shè)計的數(shù)據(jù)流特性、設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成以及包含響應(yīng)監(jiān)控與設(shè)計驗證方面的時延和波形產(chǎn)生機制。

VerilogHDL語言是于1983年由GatewayDesignAutomation公司為其模擬器產(chǎn)品開發(fā)的硬件建模語言。最初它只是一種專用語言，后來由于模擬、仿真器產(chǎn)品的廣泛使用，VerilogHDL作為一種方便且實用的語言逐漸為眾多設(shè)計者所接受。VerilogHDL語言于1990年被推向公眾領(lǐng)域。OpenVerilogInternational(OVI)是促進Verilog發(fā)展的國際性組織。1992年，OVI決定致力將VerilogOVI標準推廣成為IEEE標準。這一努力最后獲得成功，Verilog語言于1995年成為IEEE標準，稱為IEEEStd1364－1995。Verilog硬件描述語言參考手冊中詳細描述了該標準。本章主要對VerilogHDL語言作一簡介，詳細的編程使用請參考夏宇聞編寫的《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程》一書。

VerilogHDL程序設(shè)計的基本單元是模塊(module)。一個模塊由兩部分組成，一部分描述接口，另一部分描述邏輯功能，即定義輸入是如何影響輸出的。Verilog模塊設(shè)計描述了一個模塊的對外特性和內(nèi)部功能，包括模塊端口定義、I/O說明、內(nèi)部信號聲明和功能定義等四部分，如圖5-1所示。5.1VerilogHDL程序的基本構(gòu)成

圖5-1VerilogHDL程序模塊結(jié)構(gòu)圖模塊是Verilog的基本描述單位，用于描述某個設(shè)計的功能或結(jié)構(gòu)及與其它模塊通信的外部端口。一個設(shè)計的結(jié)構(gòu)可使用開關(guān)級原語、門級原語和用戶定義的原語方式描述；設(shè)計的數(shù)據(jù)流行為使用連續(xù)賦值語句進行描述；時序行為使用過程結(jié)構(gòu)進行描述。一個模塊可以在另一個模塊中使用，進行層次嵌套。正因為如此，才可以將大型的數(shù)字電路設(shè)計分割成不同的子模塊來實現(xiàn)特定的功能，最后通過頂層模塊調(diào)用子模塊來實現(xiàn)整體功能。

1．模塊端口的定義

模塊端口定義聲明了輸入/輸出口，其格式如下：

Module模塊名(口1，口2，口3，…)

端口定義的圓括弧中的內(nèi)容，是設(shè)計電路模塊與外界聯(lián)系的全部輸入/輸出端口信號或引腳，它是設(shè)計實體對外的一個通信界面，是外界可以看到的部分(不包含電源和接地端)，多個端口名之間用“，”分隔。例如：

moduleadder(sum，cont，ina，inb，cin)；

2．I/O說明

模塊的I/O說明用來聲明模塊端口定義中各端口數(shù)據(jù)的流動方向，包括輸入(input)、輸出(output)和雙向(inout)。其格式如下：

輸入：input[信號位寬-1：0]端口名

輸出：out[信號位寬-1：0]端口名

輸入輸出：inout[信號位寬-1：0]端口名

3．內(nèi)部信號聲明

內(nèi)部信號聲明用來說明設(shè)計電路的功能描述中所用信號的數(shù)據(jù)類型以及函數(shù)聲明。其格式如下：

reg[width-1:0]變量1，變量2

wire[width-1:0]變量1，變量2

4．功能定義

功能定義是VerilogHDL程序設(shè)計中最主要的部分，用來描述設(shè)計模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和模塊端口間的邏輯關(guān)系，在電路上相當于器件的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。功能定義采用三種方法產(chǎn)生邏輯，其格式如下：

(1)使用assign聲明語句。

如：assigna=b&c;

(2)用實例元件(instantiate)。

如：and#2u1(q,a,b);

(3)使用always塊。

如：always@(posedgeclkorposedgeclr)

begin……

end

在每個模塊中，可用四種方式描述一個設(shè)計：數(shù)據(jù)流方式、行為方式、結(jié)構(gòu)方式、上述描述方式的混合。

1)數(shù)據(jù)流方式

用數(shù)據(jù)流方式描述一個設(shè)計建模的最基本的機制就是使用連續(xù)賦值語句。在連續(xù)賦值語句中，某個值被指派給線網(wǎng)變量。連續(xù)賦值語句的語法如下：

assign[delay]LHS_net=RHS_expression;

其中，右邊表達式使用的操作數(shù)無論何時發(fā)生變化，表達式值都會重新計算，并且在指定時延后被賦予左邊的線網(wǎng)變量。時延定義了右邊表達式操作數(shù)變化與賦值給左邊表達式之間的持續(xù)時間。如果沒有定義時延值delay，則缺省時延為0。連續(xù)賦值語句對電路的數(shù)據(jù)流行為采用的建模方式是隱式而非顯式的。此外，連續(xù)賦值語句是并發(fā)執(zhí)行的，也就是說各語句的執(zhí)行順序與其在描述中出現(xiàn)的順序無關(guān)。

2)行為方式

設(shè)計的行為功能采用下述過程語句結(jié)構(gòu)描述：

(1)

initial語句：此語句只執(zhí)行一次。

(2)

always語句：此語句總是循環(huán)執(zhí)行，或者說此語句重復執(zhí)行。

只有寄存器類型的數(shù)據(jù)能夠在這兩種語句中被賦值。寄存器類型的數(shù)據(jù)在被賦新值前保持原有值不變。所有的初始化語句和always語句在0時刻并發(fā)執(zhí)行。

3)結(jié)構(gòu)方式

在VerilogHDL語言中可使用四種方式描述結(jié)構(gòu)：內(nèi)置門原語(在門級)；開關(guān)級原語(在晶體管級)；用戶定義的原語(在門級)；模塊實例(創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu))。

(1)內(nèi)置門原語(在門級)。VerilogHDL語言中提供下列內(nèi)置基本門：

●多輸入門：and,nand,or,nor,xor,xnor。

●多輸出門：buf,not。

●三態(tài)門：bufif0,bufif1,notif0,notif1。

●上拉、下拉電阻：pullup,pulldown。

(2)開關(guān)級原語(在晶體管級)。

●

MOS開關(guān)：cmos,nmos,pmos,rcmos,rnmos,rpmos。

●雙向開關(guān)：tran,tranif0,tranif1,rtran,rtranif0,rtranif1。

門級邏輯設(shè)計描述中可使用具體的門實例語句。下面是簡單的門實例語句格式：

gate_type[instance_name](term1,term2,…,term);N

注意，instance_name是可選的；gate_type為前面列出的某種門類型。各term用于表示與門的輸入/輸出端口相連的線網(wǎng)或寄存器。同一門類型的多個實例能夠在一個結(jié)構(gòu)形式中定義。語法如下:

gate_type

[instance_name1](term11,term12,…,term)1,N

[instance_name2](term21,term22,…,term)2,N

[instance_nameM](termM1,termM2,…,term)M;N

(3)用戶定義的原語(UDP，在門級)。

以下語法的UDP說明可用來定義UDP：

PrimitiveUDP_name(OutputName,List_of_inpu)ts

Output_declaration

List_of_input_declarations

[Reg_declaration]

[Initial_statement]

table

List_of_tabel_entries

endtable

endprimitive

UDP的定義不依賴于模塊定義，因此出現(xiàn)在模塊定義以外，也可以在單獨的文本文件中定義UDP。

UDP只能有一個輸出和一個或多個輸入。第一個端口必須是輸出端口。此外，輸出

可以取值0、1或x(不允許取z值)。輸入中出現(xiàn)z值時以x處理。UDP的行為以表的形式描述。在UDP中可以描述下面兩類行為：

●組合電路。在組合電路UDP中，規(guī)定了不同的輸入組合和相對應(yīng)的輸出值。沒有指定的任意組合輸出為x。

●時序電路(邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā))。在時序電路UDP中，使用1位寄存器描述內(nèi)部狀態(tài)。該寄存器的值是時序電路UDP的輸出值。共有兩種不同類型的時序電路UDP：一種模擬電平觸發(fā)行為；另一種模擬邊沿觸發(fā)行為。時序電路UDP使用寄存器的當前值和輸入值來決定寄存器的下一狀態(tài)(和后繼的輸出)。

(4)模塊實例(創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu))。

首先構(gòu)建基本模塊，再逐層實例化，構(gòu)成高級模塊。

moduleDFF(d,clk,clr,q,qb);

....//定義各種邏輯

endmodule//構(gòu)建基本模塊DEF

moduleREG4(d,clk,clr,q,qb);

output[3:0]q,qb;

input[3:0]d;

inputclk,clr;

DFFd0(d[0],clk,clr,q[0],qb[0]);

DFFd1(d[1],clk,clr,q[1],qb[1]);

DFFd2(d[2],clk,clr,q[2],qb[2]);

DFFd3(d[3],clk,clr,q[3],qb[3]);

endmodule//在REG4模塊內(nèi)，通過實例化基本模塊DEF構(gòu)建高層模塊

4)上述描述方式的混合

在模塊中，結(jié)構(gòu)方式和行為方式的描述可以自由混合。也就是說，模塊描述中可以包含實例化的門、模塊實例化語句、連續(xù)賦值語句以及always語句和initial語句的混合。它們之間也可以相互包含。來自always語句和initial語句(切記只有寄存器類型的數(shù)據(jù)才可以在這兩種語句中被賦值)的值能夠驅(qū)動門或開關(guān)，而來自于門或連續(xù)賦值語句(只能驅(qū)動線網(wǎng))的值能夠反過來用于觸發(fā)always語句和initial語句。

VerilogHDL語言有兩種數(shù)據(jù)類型。

(1)線網(wǎng)類型(nettype)：表示Verilog結(jié)構(gòu)化元件間的物理連線。它的值由驅(qū)動元件的值決定，例如連續(xù)賦值或門的輸出。如果沒有驅(qū)動元件連接到線網(wǎng)，則線網(wǎng)的缺省值為z。

5.2VerilogHDL語言的數(shù)據(jù)類型

(2)寄存器類型(registertype)：表示一個抽象的數(shù)據(jù)存儲單元，它只能在always語句和initial語句中被賦值，并且它的值從一個賦值到另一個賦值被保存下來。寄存器類型的變量具有x的缺省值。5.2.1線網(wǎng)類型

線網(wǎng)數(shù)據(jù)包含以下不同的線網(wǎng)子類型：wire、tri、wor、trior、wand、triand、trireg、tri1、tri0、supply0、supply1。

通用的線網(wǎng)類型說明語法如下：

net_kind[msb:lsb]net1,net2,...,netN;

線網(wǎng)子類型描述如表5-1所示。

表5-1線網(wǎng)子類型描述

1．wire和tri線網(wǎng)

用于連接單元的連線(wire)是最常見的線網(wǎng)類型。三態(tài)線(tri)與連線的語法和語義一致。三態(tài)線可以用于描述多個驅(qū)動源驅(qū)動同一根線的線網(wǎng)類型，并且沒有其它特殊的意義。

2．wor和trior線網(wǎng)

線或(wor)指如果某個驅(qū)動源為1，那么線網(wǎng)的值也為1。三態(tài)線或(trior)與線或在語法和功能上是一致的。

3．wand和triand線網(wǎng)

線與(wand)指如果某個驅(qū)動源為0，那么線網(wǎng)的值為0。三態(tài)線與(triand)和線與在語法和功能上是一致的。

4．trireg線網(wǎng)

三態(tài)寄存器(trieg)線網(wǎng)用于存儲數(shù)值(類似于寄存器)及電容節(jié)點的建模。當三態(tài)寄存器線網(wǎng)的所有驅(qū)動源都處于高阻態(tài)時，也就是說，當值為z時，三態(tài)寄存器線網(wǎng)保存作用在線網(wǎng)上的最后一個值。此外，三態(tài)寄存器線網(wǎng)的缺省初始值為x。例如：

trireg[1:8]Dbus,Abus;

5．tri0和tri1線網(wǎng)

這類線網(wǎng)可用于線邏輯的建模，即線網(wǎng)有多于一個的驅(qū)動源。tri0(tri1)線網(wǎng)的特征是，若無驅(qū)動源驅(qū)動，則它的值為0(tri1的值為1)。

6．supply0和supply1線網(wǎng)

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：

supply0Gnd,ClkGnd;

supply1[2:0]Vcc;5.2.2寄存器類型

VerilogHDL語言中有五種不同的寄存器類型：reg、integer、time、real、realtime。

1．reg寄存器類型

reg寄存器類型是最常見的數(shù)據(jù)類型。簡單的寄存器類型說明如下：

reg[msb:lsb]reg1,reg2,…,regN;其中，msb和lsb定義了范圍，并且均為常數(shù)值表達式。范圍定義是可選的，如果沒有定義范圍，則缺省值為1位寄存器。該寄存器可以取任意長度。寄存器中的值通常被解釋為無符號數(shù)。例如：

reg[3:0]Sat; //Sat為4位寄存器

regCnt; //1位寄存器

reg[1:32]Kisp,Pisp,Lisp; //32位寄存器

2．存儲器類型

存儲器是一個寄存器數(shù)組。在賦值語句中需要注意如下區(qū)別：存儲器賦值不能在一條賦值語句中完成，但是寄存器可以。因此在存儲器被賦值時，需要定義一個索引。

存儲器使用如下說明方式：

reg[msb:lsb]memory1[upper1:lower1], //msb、lsb分別表示寄存器的最高位、

memory2[upper2:lower2],...； //最低位，upper1、lower1分別表示

//存儲器包含的最高寄存器編號、最低

//寄存器編號

例如：

reg[0:3]MyMem[0:63] //MyMem為64個4位寄存器的數(shù)組

regBog[1:5] //Bog為5個1位寄存器的數(shù)組

3．integer寄存器類型

integer(整數(shù))寄存器的值為整數(shù)值。整數(shù)寄存器可以作為普通寄存器使用，其典型應(yīng)用為高層次行為建模。

使用整數(shù)型的說明如下：

integerinteger1,integer2,...,intergerN[msb:lsb];

其中，msb和lsb是定義整數(shù)數(shù)組界限的常量表達式，數(shù)組界限的定義是可選的。

4．time寄存器類型

time(時間)類型的寄存器用于存儲和處理時間。

5．real和realtime寄存器類型

real(實數(shù))寄存器類型和realtime(實數(shù)時間)寄存器類型中的參數(shù)是常量。該參數(shù)經(jīng)常用于定義時延和變量的寬度。

real類型說明的變量的缺省值為0。

real類型寄存器說明如下：

realreal_reg1,real_reg2,…,real_regN;

realtime類型寄存器說明如下：

realtimerealtime_reg1,realtime_reg2,...,realtime_regN;

realtime與real類型完全相同。例如：

realSwing,Top;

realtimeCurrTime;5.2.3常量

常量是一個恒定不變的值數(shù)，一般在程序前部定義。常量定義格式如下：

parameter常量名1=表達式,常量名2=表達式,…,常量名n=表達式；

parameter是常量定義關(guān)鍵字，常量名是用戶定義的標識符，表達式是為常量賦的值。例如：

parameterVcc=5，fbus=8'b11010001；

使用參數(shù)說明的參數(shù)只被賦值一次。參數(shù)說明如下：

parameterparam1=const_expr1,param2=const_expr2,...,paramN=const_exprN;

1．空白符和注釋

VerilogHDL語言中的空白符包括空格、tab符號、換行和換頁。空白符如果不是出現(xiàn)在字符串中，則在編譯源程序時將被忽略。

注釋分為行注釋和塊注釋兩種方式。行注釋用符號//(兩個斜杠)開始，注釋到本行結(jié)束。塊注釋用/*開始，用*/結(jié)束。塊注釋可以跨越多行，但它們不能被嵌套。5.3詞匯規(guī)定

2．常數(shù)

VerilogHDL語言中的常數(shù)包括數(shù)字、未知x和高阻z三種。數(shù)字可以用二進制、十進制、八進制和十六進制等4種不同數(shù)制來表示，完整的數(shù)字格式如下：

<位寬>'<進制符號><數(shù)字>

其中，位寬表示數(shù)字對應(yīng)的二進制數(shù)的位數(shù)寬度；進制符號包括b或B(表示二進制數(shù))，d或D(表示十進制數(shù))，h或H(表示十六進制數(shù))，o或O(表示八進制數(shù))。例如：

8'b10110001 //表示位寬為8位的二進制數(shù)

8'hf5 //表示位寬為8位的十六進制數(shù)

十進制數(shù)的位寬和進制符號可以缺省，例如：

125 //表示十進制數(shù)125

8'b1111xxxx //等價于8'hfx

8'b1101zzzz //等價于8'hdz

3．字符串

字符串是用雙引號括起來的可打印字符序列，它必須包含在同一行中。例如，"ABC"、"ABOY."、"A"、"1234"都是字符串。

4．標識符

標識符是用戶編程時為常量、變量、模塊、寄存器、端口、連線、示例和begin-end塊等元素定義的名稱。標識符可以是字母、數(shù)字和下劃線“_”等符號組成的任意序列。定義標識符時應(yīng)遵循如下規(guī)則：

(1)首字符不能是數(shù)字。

(2)字符數(shù)不能多于1024個。

(3)大小寫字母是不同的。

(4)不要與關(guān)鍵字同名。

5．關(guān)鍵字

關(guān)鍵字是VerilogHDL預先定義的單詞，它們在程序中有不同的使用目的。例如，用module和endmodule來指出源程序模塊的開始和結(jié)束；用assign來描述一個邏輯表達式等。VerilogHDL的關(guān)鍵字有97個。

6．操作符

操作符也稱為運算符，是VerilogHDL預先定義的函數(shù)名字，這些函數(shù)對被操作的對象(即操作數(shù))進行規(guī)定的運算，得到一個結(jié)果。

操作符通常由1～3個字符組成，例如，“+”表示加操作，“==”(兩個

=

字符)表示邏輯等操作，“=

=

=”(3個

=

字符)表示全等操作。有些操作符的操作數(shù)只有1個，稱為單目操作；有些操作符的操作數(shù)有2個，稱為雙目操作；有些操作符的操作數(shù)有3個，稱為三目操作。

1)算術(shù)操作符(Arithmeticoperators)

常用的算術(shù)操作符包括：+

(加)、-

(減)、*

(乘)、/

(除)、%(求余)。其中%是求余操作符，在兩個整數(shù)相除的基礎(chǔ)上，取出其余數(shù)。例如，5%6的值為5，13%5的值是3。

2)邏輯操作符(Logicaloperators)

邏輯操作符包括：&&(邏輯與)、||

(邏輯或)、！(邏輯非)。

3)位運算(Bitwiseoperators)

位運算是將兩個操作數(shù)按對應(yīng)位進行邏輯操作。位運算操作符包括：~

(按位取反)、&

(按位與)、|

(按位或)、^

(按位異或)、^~

或

~^

(按位同或)。

在進行位運算時，當兩個操作數(shù)的位寬不同時，計算機會自動將兩個操作數(shù)按右端對齊，位數(shù)少的操作數(shù)會在高位用0補齊。

4)關(guān)系操作符(Pelationaloperators)

關(guān)系操作符包括：<

(小于)、<=

(小于等于)、>

(大于)、>=

(大于等于)。其中，<=

也是賦值運算的賦值符號。

關(guān)系運算的結(jié)果是1位邏輯值。在進行關(guān)系運算時，如果關(guān)系是真，則計算結(jié)果為1；如果關(guān)系是假，則計算結(jié)果為0；如果某個操作數(shù)的值不定，則計算結(jié)果不定(未知)，表示結(jié)果是模糊的。

5)等式操作符(Equalityoperators)

等值操作符包括：==

(等于)、!=

(不等于)、===

(全等)、!==

(不全等)。

等值運算的結(jié)果也是1位邏輯值，當運算結(jié)果為真時，返回值1；為假則返回值0。

相等操作符(==)與全等操作符(===)的區(qū)別是：相等運算時，兩個操作數(shù)必須逐位相等，其比較結(jié)果的值才為1(真)；如果某些位是不定或高阻狀態(tài)，其相等比較的結(jié)果就會是不定值。

全等運算時，對不定或高阻狀態(tài)位也進行比較，當兩個操作數(shù)完全一致時，其結(jié)果的值才為1(真)，否則結(jié)果為0(假)。

6)縮減操作符(Reductionoperators)

縮減操作符包括：&(與)、~&(與非)、|

(或)、~|

(或非)、^

(異或)、^~

或~^

(同或)。

運算結(jié)果有1位：1或0。

例如，A=8'b11010001，則&A=0(在與縮減運算中，只有A中的數(shù)字全為1時，結(jié)果才為1)；|A=1(在或縮減運算中，只有A中的數(shù)字全為0時，結(jié)果才為0)。

7)轉(zhuǎn)移操作符(Shiftoperators)

轉(zhuǎn)移操作符包括：>>(右移)、<<(左移)。

操作數(shù)>>n；//將操作數(shù)的內(nèi)容右移n位，同時從左邊開始用0來填補移出的位數(shù)

操作數(shù)<<n；//將操作數(shù)的內(nèi)容左移n位，同時從右邊開始用0來填補移出的位數(shù)

例：設(shè)A=8'b11010001，則A>>4的結(jié)果是A=8'b00001101；而A<<4的結(jié)果是A=8'b00010000。

8)條件操作符(Conditionaloperators)

條件操作符的操作數(shù)有3個，其使用格式如下：

操作數(shù)=條件？表達式1：表達式2；

當條件為真(條件結(jié)果值為1)時，操作數(shù)=表達式1；為假(條件結(jié)果值為0)時，操作數(shù)=表達式2。

9)并接操作符(Concatenationoperators)

并接操作符為｛｝。

并接操作符的使用格式如下：

{操作數(shù)1，操作數(shù)2，…，操作數(shù)n}； //將操作數(shù)1、操作數(shù)2…操作數(shù)n

//并接在一起

例如，將1位全加器進位cout與和sum并接在一起使用，它們的結(jié)果由兩個加數(shù)ina、inb及低位進位cin相加決定，表達式如下：

{cout，sum}=ina+inb+cin；

下面通過一個實例來說明模塊的說明，圖5-2(a)是邏輯功能模塊，圖5-2(b)是用Verilo