Vivado HDL編寫(xiě)示例

Vivado 軟件提供了HDL編寫(xiě)中常用的示例，旨在幫助初學(xué)者更好地理解和掌握HDL編程，這里分享一下verilog代碼示例。

一、觸發(fā)器、寄存器與鎖存器

Vivado綜合工具根據(jù)HDL代碼會(huì)選擇4種寄存器原語(yǔ)：

• FDCE：帶有時(shí)鐘使能和異步清0的D觸發(fā)器；
• FDPE：帶有時(shí)鐘使能和異步預(yù)置（Preset）的D觸發(fā)器；
• FDSE：帶有時(shí)鐘使能和同步置位的D觸發(fā)器；
• FDRE：帶有時(shí)鐘使能和同步復(fù)位的D觸發(fā)器；

觸發(fā)器是一種存儲(chǔ)器件，可以用來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位。 常見(jiàn)的觸發(fā)器有D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器等。

复制module dff(
    input clk,
    input reset,
    input d,
    output reg q
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        q <= 0;
    end else begin
        q <= d;
    end
end

endmodule

寄存器是一種廣泛使用的存儲(chǔ)器件，可以在時(shí)序邏輯中存儲(chǔ)多個(gè)比特位，通常由觸發(fā)器或D觸發(fā)器等邏輯單元實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)寄存器需要同時(shí)包含時(shí)鐘、使能和數(shù)據(jù)輸入端口。

复制module register(
    input clk,
    input enable,
    input [7:0] d,
    output reg [7:0] q
);

always @(posedge clk) begin
    if (enable) begin
        q <= d;
    end
end

endmodule

Vivado綜合會(huì)報(bào)告檢測(cè)出的鎖存器（Latches），這些鎖存器是由組合邏輯HDL代碼設(shè)計(jì)錯(cuò)誤引起的，比如if或case狀態(tài)不完整。 綜合會(huì)為檢測(cè)出的鎖存器報(bào)告一個(gè)WARNING（Synth 8-327）。

复制module latches (
    input a,
    input b,
    input clr,
    output reg q
);

always @ *
    if(CLR) q = a;
    else if(G) q = b;

endmodule

二、三態(tài)緩沖器

三態(tài)緩沖器是一種帶有使能控制的存儲(chǔ)器件，允許多個(gè)設(shè)備共享同一個(gè)總線信號(hào)。 當(dāng)三態(tài)緩沖器的使能信號(hào)為高時(shí)，它就會(huì)輸出輸入信號(hào)； 當(dāng)使能信號(hào)為低時(shí)，它就會(huì)將輸出信號(hào)設(shè)置為高阻（高阻狀態(tài)）。

复制module tristate_buffer(
    input enable,
    input [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out,
    inout [7:0] bus
);

assign bus = enable ? data_out : 8'bZ;

always @(bus, enable) begin
    if (enable) begin
        data_out <= data_in;
    end
end

endmodule

三、移位寄存器

移位寄存器是一種可以將數(shù)據(jù)向左或向右移位的存儲(chǔ)器件。 它可以在時(shí)序邏輯中被用來(lái)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器、數(shù)字信號(hào)處理等應(yīng)用。

Vivado 綜合中使用 SRL 類(lèi)型的資源（SRL16E 和 SRLC32E）來(lái)實(shí)現(xiàn)移位寄存器。 根據(jù)移位寄存器的長(zhǎng)度不同，在綜合時(shí)會(huì)選擇采用一個(gè) SRL 類(lèi)型原語(yǔ)，或采用級(jí)聯(lián)的 SRLC 類(lèi)型原語(yǔ)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

复制module shift_register(
    input clk,
    input [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);

reg [7:0] reg_data [0:7];

always @(posedge clk) begin
    for (int i = 7; i > 0; i--) begin
        reg_data[i] <= reg_data[i-1];
    end
    reg_data[0] <= data_in;
end

assign data_out = reg_data[7];

endmodule

四、乘法器

乘法器是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算器件，可以在FPGA設(shè)計(jì)中進(jìn)行數(shù)字乘法。 乘法器在數(shù)碼信號(hào)處理器中非常常見(jiàn)，在數(shù)字信號(hào)處理、濾波器和音頻編解碼器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

Vivado綜合時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況，確定是用LUT實(shí)現(xiàn)，還是用DSP實(shí)現(xiàn)，建議使用乘法時(shí)，計(jì)算結(jié)果輸出多打兩拍，有助于改善時(shí)序。

复制module multiplier_unsigned(
    input clk, 
    input [7:0] a,
    input [7:0] b,
    output reg signed [15:0] c
);

always @(posedge clk) begin
    c <= a * b;
end

endmodule

五、黑盒子

FPGA設(shè)計(jì)支持EDIF網(wǎng)表，可以在HDL源代碼中使用BLACK_BOX屬性完成實(shí)例化，該實(shí)例將被視作黑盒子。

复制//模塊定義
(* black_box *) module black_box
(
    input in1, in2, 
    output dout
);
   //此處省略代碼
endmodule

//模塊實(shí)例化
module black_box
(
    input DI_1, DI_2, 
    output DOUT
);

//模塊調(diào)用
black_box u_black_box (
    .in1(DI_1),
    .in2(DI_2),
    .dout(DOUT)
);

endmodule

六、FSM狀態(tài)機(jī)

Vivado綜合時(shí)可以從RTL源碼中提取出有限狀態(tài)機(jī)（FSM）邏輯，支持Moore和Mealy型狀態(tài)機(jī)。 一個(gè)狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)寄存器、下一個(gè)狀態(tài)功能、輸出功能三部分組成。

复制module fsm(
    input clk,
    input reset,
    input [1:0] state_in,
    output reg [1:0] state_out
);

parameter STATE_A = 2'd0;
parameter STATE_B = 2'd1;
parameter STATE_C = 2'd2;

reg [1:0] state_reg;

always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin
        state_reg <= STATE_A;
    end else begin
        case (state_reg)
            STATE_A: state_reg <= STATE_B;
            STATE_B: state_reg <= STATE_C;
            STATE_C: state_reg <= STATE_A;
            default: state_reg <= STATE_A;
        endcase
    end
end

assign state_out = state_reg;

endmodule