一文詳解Verilog HDL

一、Verilog HDL 概述

1、Verilog HDL 是什么

Verilog HDL（Hardware Description Language）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?，F(xiàn)實生活中多用于專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）和現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmabl Gate Array，FPGA）的實現(xiàn)。

2、Verilog HDL產(chǎn)生的背景

第一只晶體管出現(xiàn)后，數(shù)字集成電路設(shè)計密度越來越大、電路越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的畫圖或連線的設(shè)計方法已不再適用。

例如：設(shè)計4位移位寄存器，僅需簡短幾行代碼完成。

module register_four(

input clk,

input Reset,

input din,

output reg [3:0] qout

);

always @(posedge clk or posedge Reset)begin

if(Reset)

qout <= 4'b0;

else

qout <= {qout[2:0],din};

end

endmodule

若要將4位移位寄存器改為8位移位寄存器，僅需修改少量代碼。

module register_eight(

input clk,

input Reset,

input din,

output reg [7:0] qout

);

always @(posedge clk or posedge Reset)begin

if(Reset)

qout <= 8'b0000_0000;

else

qout <= {qout[6:0],din};

end

endmodule

由上例可直觀發(fā)現(xiàn)，Verilog HDL可用較少的語句描述較為復(fù)雜的電路和靈活的可擴(kuò)展性，為數(shù)字集成電路設(shè)計帶來了極大的便捷。

3、Verilog HDL 和 VHDL的區(qū)別

目前，Verilog HDL 和 VHDL（VHSIC Hardware Description Language，VHSIC 為 Very High Speed Integrated Circuit）是最為常用的硬件描述語音。

Verilog HDL：

語法靈活、寬松，多被思維活躍的美國人采用。因Verilog HDL 語法寬松，其不適合對系統(tǒng)要求層次嚴(yán)格的大規(guī)模設(shè)計。

VHDL：

語法結(jié)構(gòu)緊湊、嚴(yán)謹(jǐn)，多被思維歐洲人采用。VHDL在大規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計中具有一定優(yōu)勢。

注：

Verilog基于C語言發(fā)展而來，語法靈活、寬松，且國內(nèi)開發(fā)人員多采用Verilog，對初學(xué)者較為友好。

二、Verilog HDL 基礎(chǔ)知識

1、Verilog HDL 語言要素

1.1、命名規(guī)則

在Verilog HDL 中，標(biāo)識符背用來命名信號、模塊、參數(shù)等，它可以是任意一組字母、數(shù)字、$符號和_(下劃線）符號的組合。

注：標(biāo)識符中字母區(qū)分大小寫，且第一個字必須是字母或下劃線。

1.2、注釋符

單行注釋：單行注釋以“//”開始，Verilog HDL忽略此處到行尾的內(nèi)容。

多行注釋：多行注釋采用“/**/”,從“/”開始，到“/”結(jié)束，Verilog HDL忽略其中注釋的內(nèi)容。

注：多行注釋不允許嵌套，但單行注釋可以嵌套在多行注釋中。

例如：

非法多行注釋：

/*注釋內(nèi)容/*多行注釋嵌套多行注釋*/注釋內(nèi)容*/

合法多行注釋：

/*注釋內(nèi)容//多行注釋嵌套單行注釋*/

1.3、關(guān)鍵字

Verilog HDL 內(nèi)部已經(jīng)使用的詞成為關(guān)鍵字或保留字，是事先定義好的確認(rèn)符，用來組織語言結(jié)構(gòu)。

注：Verilog HDL中所有的關(guān)鍵字都是小寫的。

1.4、數(shù)值

Verilog HDL 有四種基本的電平邏輯數(shù)值狀態(tài)，用數(shù)字或字符表達(dá)數(shù)字電路中傳送的邏輯狀態(tài)和存儲信息。Verilog HDL邏輯數(shù)值中，“x”和“z”都不區(qū)分大小寫，即0x1z與0X1Z等價。

在數(shù)值中，下劃線符號“_”除不能放于首位外，可隨意用在整數(shù)與實數(shù)中，對數(shù)值的大小無影響，僅為提高可讀性。

例如：

8’b00110010 與8’b0011_0010的數(shù)值大小相等。

1.4.1、整數(shù)及其表示

整數(shù)的表示形式：

+/-'

（1）“+/-”：正數(shù)和負(fù)數(shù)的標(biāo)識。

（2）size：換算過后二進(jìn)制的寬度。

（3）“ ’ ”：為基數(shù)格式表示固有字符，該字符不能缺省，否則為非法表示形式。

（4）base_format:基數(shù)符號。

（5）number:可使用的數(shù)字字符集。

例如：

4'b0011

7'd32

8'hfd

1.4.2、實數(shù)及其表示

（1）十進(jìn)制表示法。

（2）科學(xué)計數(shù)發(fā)。例如：758.4e2 的值為75840.0,3e-3的值為0.003。

1.4.3、字符串及其表示

注：字符串必須包含在同一行中，不能分行書寫。

字符串在Verilog HDL中看做8位的ASCII值序列，即一個字符對應(yīng)8位的ASCII值。

2、數(shù)據(jù)類型

按抽象程度 Verilog HDL數(shù)據(jù)類型可分為：物理數(shù)據(jù)類型（主要包括線網(wǎng)型及寄存器型）和抽象數(shù)據(jù)類型（主要包括整數(shù)型、時間型、實數(shù)型及參數(shù)型）。抽象數(shù)據(jù)類型主要用于輔助設(shè)計和驗證。

2.1、線網(wǎng)型（wire）

wire 類型表示硬件單元之間的物理連線，由其連接的器件輸出端連續(xù)驅(qū)動。如果沒有驅(qū)動元件連接到 wire 型變量，缺省值一般為 “Z”。對wire 類型賦值用“assign”。

例如：

wire data_out ;

wire flag ;

assign data_out = data_in ;

assign flag = 1'b1 ;

2.2、寄存器型（reg）

reg 用來表示存儲單元，它的數(shù)據(jù)會保持最后一次賦值，直到被改寫。reg 默認(rèn)初始值為不定值“x”，缺省是數(shù)據(jù)位寬為1位。reg 一般為無符號數(shù)，若將一個負(fù)數(shù)賦值給 reg 型變量，則制動轉(zhuǎn)換其二進(jìn)制補碼形式。

例如：

reg data0;

reg data1;

reg [4:0] data2;

2.3、存儲器型（memory）

存儲器型本質(zhì)上還是寄存器型變量陣列，可以描述RAM型、ROM型存儲器以及reg文件。存儲器中的每一個單元通過索引進(jìn)行尋址。

聲明格式：

reg

（1） range1：存儲器中寄存器的位寬，缺省,時為1，格式為[msb:lsb]。

（2）range2：寄存器的個數(shù)，缺省時為1，格式為[msb:lsb]。

（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。

例如：

reg [7:0] mem1[255:0];//定義了一個有256個8位的存儲器

reg [15:0] mem2[127:0],reg1,reg2;//定義了一個具有128個16位的寄存器mem2

//2個16位的寄存器reg1和reg2

mem1[2] = 0; //給mem1存儲器中的第三個存儲單元賦值為0

2.4、整數(shù)型（integer）

整數(shù)類型用關(guān)鍵字 integer 來聲明。聲明時不用指明位寬，位寬和編譯器有關(guān)，一般為32 bit。reg 型變量為無符號數(shù)，而 integer 型變量為有符號數(shù)。

例如：

reg [31:0] data1 ;

reg [3:0] byte1 [7:0]; //數(shù)組變量，后續(xù)介紹

integer j ; //整型變量，用來輔助生成數(shù)字電路

always@* begin

for (j=0; j<=3;j=j+1) begin

byte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8]; //把data1[7:0]…data1[31:24]依次賦值給byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]

end

end

2.5、時間型（time）

Verilog 使用特殊的時間寄存器 time 型變量，對仿真時間進(jìn)行保存。其寬度一般為 64 bit，通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù) $time 獲取當(dāng)前仿真時間。

例如

time current_time ;

initial begin

#100 ;

current_time = $time ; //current_time 的大小為 100

end

2.6、實數(shù)型（real）

實數(shù)用關(guān)鍵字 real 來聲明，可用十進(jìn)制或科學(xué)計數(shù)法來表示。實數(shù)聲明不能帶有范圍，默認(rèn)值為 0。如果將一個實數(shù)賦值給一個整數(shù)，則只有實數(shù)的整數(shù)部分會賦值給整數(shù)。

例如：

real data1 ;

integer temp ;

initial begin

data1 = 2e3 ;

data1 = 3.75 ;

end

initial begin

temp = data1 ; //temp 值的大小為3

end

2.7、參數(shù)型

參數(shù)用來表示常量，用關(guān)鍵字parameter聲明，只能賦值一次，但可通過實例化的方式更改參數(shù)在模塊中的值。局部參數(shù)用localparam聲明，其作用和用法與parameter相同，區(qū)別在于它的值不能改變。所以當(dāng)參數(shù)在本模塊中調(diào)用時，可以用localparam來說明。

3、運算符

3.1、算術(shù)運算符

Verilog HDL中常用的算術(shù)運算符主要有五種，分別是加法（+）、減法（-）、乘法（*）、除法（/）和取模（%）。

注：

算術(shù)表達(dá)式結(jié)果的長度由最長的操作數(shù)決定。在賦值語句下，算術(shù)結(jié)果的長度由等號操作符左端的目標(biāo)長度決定。

3.2、關(guān)系運算符

關(guān)系運算符也是雙目運算符，是對兩個操作數(shù)的大小進(jìn)行比較。關(guān)系運算符有大于（>）、小于（<）、大于等于（>=）和小于等于（<=）幾種。

3.3、相等關(guān)系運算符

相等關(guān)系運算符是對兩個操作數(shù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果有三種，即真（1）、假（0）和不定值（x）。Verilog HDL 中有四種相等關(guān)系運算符：等于（==）、不等于（！=）、全等（===）、非全等（！==）。

3.4、邏輯運算符

邏輯運算符有三種，分別為邏輯與（&&）、邏輯或（||）、邏輯非（?。Ｆ渲羞壿嬇c、邏輯或是雙目運算符，邏輯非為單目運算符。

3.5、按位運算符

Verilog HDL 提供了五種類型位運算符：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(jìn)行操作。

3.6、歸約運算符

歸約操作符包括：歸約與（&），歸約與非（~&），歸約或（|），歸約或非（~|），歸約異或（^），歸約同或（~^）。歸約操作符只有一個操作數(shù)，它對這個向量操作數(shù)逐位進(jìn)行操作，最終產(chǎn)生一個 1bit 結(jié)果。邏輯操作符、按位操作符和歸約操作符都使用相同的符號表示，因此有時候容易混淆。區(qū)分這些操作符的關(guān)鍵是分清操作數(shù)的數(shù)目，和計算結(jié)果的規(guī)則。

例如：

A = 4'b1010 ;

&A ; //結(jié)果為 1 & 0 & 1 & 0 = 1'b0，可用來判斷變量A是否全1

~|A ; //結(jié)果為 ~(1 | 0 | 1 | 0) = 1'b0, 可用來判斷變量A是否為全0

^A ; //結(jié)果為 1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 = 1'b0

3.7、移位運算符

移位操作符包括左移（<<），右移（>>），算術(shù)左移（<<<），算術(shù)右移（>>>）。移位操作符是雙目操作符，兩個操作數(shù)分別表示要進(jìn)行移位的向量信號（操作符左側(cè)）與移動的位數(shù)（操作符右側(cè)）。算術(shù)左移和邏輯左移時，右邊低位會補 0。邏輯右移時，左邊高位會補 0；而算術(shù)右移時，左邊高位會補充符號位，以保證數(shù)據(jù)縮小后值的正確性。

A = 4'b1100 ;

B = 4'b0010 ;

A = A >> 2 ; //結(jié)果為 4'b0011

A = A << 1; ? ? ? ? //結(jié)果為 4'b1000

A = A <<< 1 ; ? ? ? //結(jié)果為 4'b1000

C = B + (A>>>2); //結(jié)果為 2 + (-4/4) = 1, 4'b0001

3.8、連接運算符

拼接操作符用大括號 {，} 來表示，用于將多個操作數(shù)（向量）拼接成新的操作數(shù)（向量），信號間用逗號隔開。拼接符操作數(shù)必須指定位寬，常數(shù)的話也需要指定位寬。

例如：

A = 4'b1010 ;

B = 1'b1 ;

Y1 = {B, A[3:2], A[0], 4'h3 }; //結(jié)果為Y1='b1100_0011

Y2 = {4{B}, 3'd4}; //結(jié)果為 Y2=7'b111_1100

Y3 = {32{1'b0}}; //結(jié)果為 Y3=32h0，常用作寄存器初始化時匹配位寬的賦初值