全網(wǎng)最全總結(jié)FPGA的Veilog HDL語(yǔ)法、框架

摘要：Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言是在用途最廣泛的C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語(yǔ)言，具有靈活性高、易學(xué)易用等特點(diǎn)。Verilog HDL可以在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)和掌握，FPGA的Veilog HDL基礎(chǔ)語(yǔ)法總結(jié)，看完這些，F(xiàn)PGA的基本語(yǔ)法應(yīng)該就沒啥問題了！

一、基礎(chǔ)知識(shí)1、邏輯值邏輯0：表示低電平，也就對(duì)應(yīng)我們電路GND；

邏輯1：表示高電平，也就是對(duì)應(yīng)我們電路的VCC；

邏輯X：表示未知，有可能是高電平，也有可能是低電平；

邏輯Z：表示高阻態(tài)，外部沒有激勵(lì)信號(hào)，是一個(gè)懸空狀態(tài)。

2、進(jìn)制格式Verilog數(shù)字進(jìn)制格式包括二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。

一般常用的為二進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。

二進(jìn)制表示如下：4b0101表示4位二進(jìn)制數(shù)字0101

十進(jìn)制表示如下：4‘d2表示4位十進(jìn)制數(shù)字2（二進(jìn)制0010）

十六進(jìn)制表示如下：4ha表示4位十六進(jìn)制數(shù)字a（二進(jìn)制1010）

16’b1001 1010 1010 1001=16‘h9AA9

3、標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)符（identifier）用于定義模塊名、端口名、信號(hào)名等。

標(biāo)識(shí)符可以是任意一組字母、數(shù)字、$符號(hào)和（下劃線）符號(hào)的組合；

但標(biāo)識(shí)符的第一個(gè)字符必須是字母或者下劃線；

標(biāo)識(shí)符是區(qū)分大小寫的；

4、標(biāo)識(shí)符推薦寫法不建議大小寫混合使用；

普通內(nèi)部信號(hào)建議全部小寫；

信號(hào)命名最好體現(xiàn)信號(hào)的含義，簡(jiǎn)潔、清晰、易懂；

以下是一些推薦的寫法：

1、用有意義的有效的名字如sum、cpu_addr等。

2、用下劃線區(qū)分詞，如cpu addr。

3、采用一些前綴或后綴，比如時(shí)鐘采用clk前綴：clk_50，clk_cpu；

二、數(shù)據(jù)類型在Verilog 語(yǔ)言中，主要有三大類數(shù)據(jù)類型。

寄存器數(shù)據(jù)類型、線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型和參數(shù)數(shù)據(jù)類型。

從名稱中，我們可以看出，真正在數(shù)字電路中起作用的數(shù)據(jù)類型應(yīng)該是寄存器數(shù)據(jù)類型和線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型。

1、寄存器類型寄存器表示一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，通過賦值語(yǔ)句可以改變寄存器儲(chǔ)存的值寄存器數(shù)據(jù)類型的關(guān)鍵字是reg，reg類型數(shù)據(jù)的默認(rèn)初始值為不定值x。

reg類型的數(shù)據(jù)只能在always語(yǔ)句和initial語(yǔ)句中被賦值。

如果該過程語(yǔ)句描述的是時(shí)序邏輯，即always語(yǔ)句帶有時(shí)鐘信號(hào)，則該寄存器變量對(duì)應(yīng)為觸發(fā)器；

如果該過程語(yǔ)句描述的是組合邏輯，即always語(yǔ)句不帶有時(shí)鐘信號(hào)，則該寄存器變量對(duì)應(yīng)為硬件連線；

//計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)0.2秒

always @（posedge sys_clk or negedge sys_rst_n） begin

if （！sys_rst_n）

counter 《= 24’d0;

else if （counter 《 24‘d999_9999）

counter 《= counter + 1’b1;

else

counter 《= 24‘d0;

end

//通過移位寄存器控制IO口的高低電平，從而改變LED的顯示狀態(tài)

always @（posedge sys_clk or negedge sys_rst_n） begin

if （！sys_rst_n）

led 《= 4’b0001;

else if（counter == 24‘d999_9999）

led［3:0］ 《= {led［2:0］，led［3］};

else

led 《= led;

end

2、線網(wǎng)類型線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型表示結(jié)構(gòu)實(shí)體（例如門）之間的物理連線。

線網(wǎng)類型的變量不能儲(chǔ)存值，它的值是由驅(qū)動(dòng)它的元件所決定的。驅(qū)動(dòng)線網(wǎng)類型變量的元件有門、連續(xù)賦值語(yǔ)句、assign等。

如果沒有驅(qū)動(dòng)元件連接到線網(wǎng)類型的變量上，則該變量就是高阻的，即其值為z。

線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型包括wire型和tri型，其中最常用的就是wire類型。

3、參數(shù)類型參數(shù)其實(shí)就是一個(gè)常量，在Verilog HDL中用parameter定義常量。

我們可以一次定義多個(gè)參數(shù)，參數(shù)與參數(shù)之間需要用逗號(hào)隔開。

每個(gè)參數(shù)定義的右邊必須是一個(gè)常數(shù)表達(dá)式。

參數(shù)型數(shù)據(jù)常用于定義狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)位寬和延遲大小等。

采用標(biāo)識(shí)符來代表一個(gè)常量可以提高程序的可讀性和可維護(hù)性。

在模塊調(diào)用時(shí)，可通過參數(shù)傳遞來改變被調(diào)用模塊中已定義的參數(shù)。

三、運(yùn)算符1、算數(shù)運(yùn)算符2、關(guān)系運(yùn)算符3、邏輯運(yùn)算符4、條件操作符result=（a》=b）？a:b;

5、位運(yùn)算符6、移位運(yùn)算符兩種移位運(yùn)算都用0來填補(bǔ)移出的空位。

左移時(shí)，位寬增加；右移時(shí)，位寬不變。

4b1001 《《2 = 6’b100100；

4b1001 》》1 = 4b0100；

7、拼接運(yùn)算符c={a，b［3:0］;

8、優(yōu)先級(jí)運(yùn)算符四、模塊結(jié)構(gòu)Verilog的基本設(shè)計(jì)單元是“模塊“（block）。

一個(gè)模塊是由兩部分組成的，一部分描述接口，另一部分描述邏輯功能。

使用quartusii軟件編寫出上圖左邊的硬件描述代碼，通過軟件編譯，就能生成最右邊組合邏輯電路圖來。每個(gè)Verilog程序包括4個(gè)主要的部分：端口定義、I0說明、內(nèi)部信號(hào)聲明、功能定義。

流水燈代碼

上圖時(shí)流水燈的代碼，第一個(gè)always塊代碼的意思：

如果時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者復(fù)位信號(hào)的下降沿到來，就執(zhí)行begin與end之間的代碼。

如果產(chǎn)生了復(fù)位信號(hào)（低電平），計(jì)數(shù)器清0，如果計(jì)數(shù)器的值小于10000000，計(jì)數(shù)器的值就+1，如果沒有產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)和計(jì)數(shù)值不小于10000000，計(jì)數(shù)器的值就為0。在這個(gè)always塊中，邏輯是順序執(zhí)行的。

第二個(gè)always塊代碼的意思：

如果時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者復(fù)位信號(hào)的下降沿到來，就執(zhí)行begin與end之間的代碼。如果產(chǎn)生了復(fù)位信號(hào)（低電平），led0點(diǎn)亮，如果計(jì)數(shù)器的值小于10000000，led0-3順序點(diǎn)亮，如果沒有產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)和計(jì)數(shù)值不小于10000000，led燈狀態(tài)保持不變。在這個(gè)always塊中，邏輯是順序執(zhí)行的。

但是這個(gè)always塊代碼是并行執(zhí)行的，也就是說時(shí)鐘信號(hào)一直在產(chǎn)生。

功能定義部分有三種方法：

1、assign語(yǔ)句描述組合邏輯

2、always語(yǔ)句描述組合/時(shí)序邏輯

3、例化實(shí)例元件

上述三種邏輯功能是并行執(zhí)行的。

五、結(jié)構(gòu)語(yǔ)句1、initial和always語(yǔ)句initial語(yǔ)句它在模塊中只執(zhí)行一次。

它常用于測(cè)試文件的編寫，用來產(chǎn)生仿真測(cè)試信號(hào)（激勵(lì)信號(hào)），或者用于對(duì)存儲(chǔ)器變量賦初值。

always 語(yǔ)句一直在不斷地重復(fù)活動(dòng)。但是只有和一定的時(shí)間控制結(jié)合在一起才有作用。

一般initial語(yǔ)句常用于測(cè)試文件，在測(cè)試文件中初始化使用。比如上面的代碼首先始終信號(hào)初始化為0，之后在always語(yǔ)句中讓其10個(gè)時(shí)鐘周期翻轉(zhuǎn)一次，就達(dá)到了時(shí)鐘的要求。

復(fù)位信號(hào)最開始為低電平，然后延時(shí)20個(gè)時(shí)鐘周期就拉高。觸摸按鍵信號(hào)最開始為低電平，延時(shí)10和時(shí)鐘周期后拉高，再延時(shí)30個(gè)時(shí)鐘周期再拉低，延時(shí)110個(gè)時(shí)鐘周期再拉高，再延時(shí)30個(gè)時(shí)鐘周期再拉低。

always的時(shí)間控制可以是沿觸發(fā)，也可以是電平觸發(fā)；可以是單個(gè)信號(hào)，也可以是多個(gè)信號(hào)，多個(gè)信號(hào)中間要用關(guān)鍵字or連接。always 語(yǔ)句后緊跟的過程塊是否運(yùn)行，要看它的觸發(fā)條件是否滿足。

沿觸發(fā)的always塊常常描述時(shí)序邏輯行為。由關(guān)鍵詞or連接的多個(gè)事件名或信號(hào)名組成的列表稱為“敏感列表”。

電平觸發(fā)的always塊常常描述組合邏輯行為。

2、組合邏輯和時(shí)序邏輯電路根據(jù)邏輯功能的不同特點(diǎn)，可以將數(shù)字電路分成兩大類：

組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。

組合邏輯電路中，任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。

時(shí)序邏輯電路中，任時(shí)刻的輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)?；蛘哒f還與以前的輸入有關(guān)，因此時(shí)序邏輯必須具備記憶功能。

3、賦值語(yǔ)句Verilog HDL 語(yǔ)言中，信號(hào)有兩種賦值方式

1、阻塞賦值（blocking），如b=a

2、非阻塞賦值（Non_Blocking），如b《=a

3.1、阻塞賦值

阻塞賦值可以認(rèn)為只有一個(gè)步驟的操作：即計(jì)算RHS（左側(cè)）并更新LHS（右側(cè)）。

所謂阻塞的概念是指，在同一個(gè)always塊中，后面的賦值語(yǔ)句是在前一句賦值語(yǔ)句結(jié)束后才開始賦值的。

module block_nonblock（Clk，Rst_n，a，b，c，out）

input Clk;

input Rst_n;

input a;

input b;

input c;

output reg ［1:0］ out;

// out a + b + c;最大值為3，所以應(yīng)該定義為2位的位寬// d = a+b;// out = d+c;

reg ［1:0］d;//定義一個(gè)中間變量

always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

if （！Rst_n）

out = 2‘b0;

else begin

d = a+b;

out = d+c;

end

endmodule

現(xiàn)在我們改變一下d= a+b;out = d+c;的順序，就會(huì)發(fā)現(xiàn)綜合出來的電路是完全不同的。

module block_nonblock（Clk，Rst_n，a，b，c，out）

input Clk;

input Rst_n;

input a;

input b;

input c;

output reg ［1:0］ out;

reg ［1:0］d;//定義一個(gè)中間變量

always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

if （！Rst_n）

out = 2’b0;

else begin

out = d+c;

d = a+b;

end

endmodule

3.2、非阻塞賦值

非阻塞賦值的操作過程可以看作兩個(gè)步驟

（1）賦值開始的時(shí)候，計(jì)算RHS（左側(cè)）；

（2）賦值結(jié)束的時(shí)候，更新LHS（右側(cè)）。

所謂非阻塞的概念是指，在計(jì)算非阻塞賦值的RHS以及更新LHS期間，允許其他的非阻塞賦值語(yǔ)句同時(shí)計(jì)算RHS和更新LHS。

非阻塞賦值只能用于對(duì)寄存器類型的變量進(jìn)行賦值，因此只能用在initial塊和always塊等過程塊中。

還是用上面的例子

module block_nonblock（Clk，Rst_n，a，b，c，out）

input Clk;

input Rst_n;

input a;

input b;

input c;

output reg ［1:0］ out;

reg ［1:0］d;//定義一個(gè)中間變量

always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

if （！Rst_n）

out = 2‘b0;

else begin

d 《= a+b;

out 《= d+c;

end

endmodule

生成效果如下：

現(xiàn)在我們改變一下d= a+b;out = d+c;的順序，就會(huì)發(fā)現(xiàn)綜合出來的電路是完全相同的。這里由于采用的非阻塞賦值，因此交換語(yǔ)句的前后順序并不會(huì)對(duì)最終生成的邏輯電路有實(shí)際影響。

module block_nonblock（Clk，Rst_n，a，b，c，out）

input Clk;

input Rst_n;

input a;

input b;

input c;

output reg ［1:0］ out;

reg ［1:0］d;//定義一個(gè)中間變量

always @（posedge Clk or negedge Rst_n）

if （！Rst_n）

out = 2’b0;

else begin

out 《= d+c;

d 《= a+b;

end

endmodule

1、在描述組合邏輯（電平觸發(fā)）的always 塊中用阻塞賦值=，綜合成組合邏輯的電路結(jié)構(gòu)；這種電路結(jié)構(gòu)只與輸入電平的變化有關(guān)系。

2、在描述時(shí)序邏輯（沿觸發(fā)）的always 塊中用非阻塞賦值=，綜合成時(shí)序邏輯的電路結(jié)構(gòu)；這種電路結(jié)構(gòu)往往與觸發(fā)沿有關(guān)系，只有在觸發(fā)沿時(shí)才可能發(fā)生賦值的變化。

“注意：在同一個(gè)always塊中不要既用非阻塞賦值又用阻塞賦值不充許在多個(gè)always塊中對(duì)同一個(gè)變量進(jìn)行賦值！因?yàn)樵诙鄠€(gè)always塊中代碼時(shí)并行執(zhí)行的?！币话阍谠O(shè)計(jì)中掌握以下六個(gè)原則，可解決在綜合后仿真中出現(xiàn)絕大多數(shù)的冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)問題。

1）時(shí)序電路（沿觸發(fā)的always塊）建模時(shí)，用非阻塞賦值；

2）鎖存器電路建模時(shí)，用非阻塞賦值；

3）用always塊建立組合邏輯（電平觸發(fā)的always塊）模型時(shí)，用阻塞賦值；

4）在同一個(gè)always塊中建立時(shí)序和組合邏輯電路時(shí)，用非阻塞賦值：

5）在同一個(gè)always塊中不要既用非阻塞賦值又用阻塞賦值；

6）不要在一個(gè)以上的always塊中為同一個(gè)變量賦值。

4、條件語(yǔ)句條件語(yǔ)句必須在過程塊中使用。過程塊語(yǔ)句是指由initial語(yǔ)句和always語(yǔ)句引導(dǎo)的塊語(yǔ)句。

4.1 if_else語(yǔ)句

1、允許一定形式的簡(jiǎn)寫，如：

if（a） 等同于if（a==1）

if（la）等同于if（a！=1）

2、if語(yǔ)句對(duì)表達(dá)式的值進(jìn)行判斷，若為0，x，z，則按假處理；若為1，按真處理。

3、if和else后面的操作語(yǔ)句可以用begin和end包含多個(gè)語(yǔ)句。

4、允許if語(yǔ)句的嵌套。

4.1 case語(yǔ)句

case語(yǔ)句（多分支選擇語(yǔ)句）

1、分支表達(dá)式的值互不相同；

2、所有表達(dá)式的位寬必須相等；不能用’bx來代替n‘bx

3、casez比較時(shí)，不考慮表達(dá)式中的高阻值

4、casex不考慮高阻值z(mì)和不定值x

注意if_else需要配對(duì)，一個(gè)if語(yǔ)句就應(yīng)該必須有一個(gè)else語(yǔ)句。好處是避免latch產(chǎn)生。latch是一個(gè)鎖存器，在數(shù)字電路中l(wèi)atch是一個(gè)電平觸發(fā)的存儲(chǔ)器，觸發(fā)器是一個(gè)邊沿觸發(fā)的存儲(chǔ)器。在編寫veilog語(yǔ)句中應(yīng)避免產(chǎn)生無畏鎖存器，鎖存器只在組合邏輯電路中產(chǎn)成，而鎖存器會(huì)導(dǎo)致電路生成的毛刺比較多，還會(huì)影響我們對(duì)整個(gè)電路的時(shí)序分析。

什么樣的情況下會(huì)產(chǎn)生這個(gè)鎖存器呢？

首先在組合邏輯電路中，如果我們有if語(yǔ)句但是沒有相應(yīng)的else語(yǔ)句，他就有可能產(chǎn)生鎖存器。第二點(diǎn)，比如case語(yǔ)句，如果我們的case語(yǔ)句沒有給完全，沒有列舉完所有應(yīng)該的產(chǎn)生的case語(yǔ)句，就應(yīng)該寫一個(gè)default，否則也會(huì)生成一個(gè)鎖存器。

編輯：jq