FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建和verilog代碼的實(shí)現(xiàn)

FPGA需要良好的數(shù)電模電基礎(chǔ)，verilog需要良好C語(yǔ)言基礎(chǔ)。

FPGA的準(zhǔn)備工作：下載Quartus II，Modelsim和notepad++（notepad++是文本編輯器，quartus有自帶的，可以不裝，也可以用其他的）。安裝完成后，實(shí)現(xiàn)Quartus II與Modelsim和notepad++的關(guān)聯(lián)（不關(guān)聯(lián)notepad++的話默認(rèn)用quartus自帶的）。方法是：tools欄的option，如下圖選中Win64。

關(guān)聯(lián)notepad++如圖，在文件夾中選擇安裝好的exe應(yīng)用程序。

Verilog可能是FPGA路上的第一個(gè)絆腳石，但是代碼類(lèi)的學(xué)習(xí)都是熟能生巧，掌握規(guī)律只需3天即可上手。

基礎(chǔ)語(yǔ)法 ：

1、區(qū)分大小寫(xiě)，分號(hào)結(jié)尾（空格、換行無(wú)意義），單行注釋用//，多行注釋用/* 代碼 */，標(biāo)識(shí)符區(qū)分大小寫(xiě)，關(guān)鍵字小寫(xiě)。

2、0表示假，1表示真，X/x表示未知，Z/z表示高阻。

3、十進(jìn)制('d 或 'D)，十六進(jìn)制('h 或 'H)，二進(jìn)制（'b 或 'B），八進(jìn)制（'o 或 'O），4'b1011中4表示位數(shù)，b表示進(jìn)制，1011是數(shù)值。 字符串用雙引號(hào)且不能換行。

4、最常用的數(shù)據(jù)類(lèi)型：wire和reg，wire 表示物理連線，reg表示存儲(chǔ)單元。

5、表達(dá)式由操作符和操作數(shù)構(gòu)成，其中操作符有算術(shù)、關(guān)系、等價(jià)、邏輯、按位、歸約、移位、拼接、條件共9種，操作數(shù)可以是任意的數(shù)據(jù)類(lèi)型。注意邏輯與(&&)、按位與(&)。

數(shù)電中有組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。組合邏輯電路模塊：

6、連續(xù)賦值語(yǔ)句以assign開(kāi)頭用于對(duì) wire 型變量進(jìn)行賦值

7、普通時(shí)延：assign #10 Z = A & B ;把A與B的結(jié)果延時(shí)10個(gè)單位再賦值給Z。隱式時(shí)延：wire #10 Z = A & B;聲明wire型變量時(shí)對(duì)其進(jìn)行包含一定時(shí)延的連續(xù)賦值。A 或 B 任意一個(gè)變量發(fā)生變化，那么 Z會(huì)有 10 個(gè)時(shí)間單位的時(shí)延。如果在這 10 個(gè)時(shí)間單位內(nèi)，A 或 B 任意一個(gè)值又發(fā)生了變化，那么計(jì)算 Z 的新值時(shí)會(huì)取 A 或 B 當(dāng)前的新值。所以稱之為慣性時(shí)延，即信號(hào)脈沖寬度小于時(shí)延時(shí)，對(duì)輸出沒(méi)有影響。因此仿真時(shí)，時(shí)延一定要合理設(shè)置，防止某些信號(hào)不能進(jìn)行有效的延遲。

時(shí)序邏輯電路模塊：

8、一個(gè)模塊中可以包含多個(gè) initial 和 always 語(yǔ)句，但 2 種語(yǔ)句不能嵌套使用。語(yǔ)句在模塊間并行執(zhí)行，與前后順序無(wú)關(guān)。語(yǔ)句內(nèi)部是順序執(zhí)行的（非阻塞賦值除外）。**initial **語(yǔ)句從 0 時(shí)刻開(kāi)始執(zhí)行，只執(zhí)行一次，多個(gè) initial 塊之間是相互獨(dú)立的。如果 initial 塊內(nèi)包含多個(gè)語(yǔ)句，需要使用關(guān)鍵字 begin 和 end 組成一個(gè)塊語(yǔ)句。只包含一條語(yǔ)句可以不用。**always **語(yǔ)句是重復(fù)執(zhí)行的。always 語(yǔ)句塊從 0 時(shí)刻開(kāi)始執(zhí)行其中的行為語(yǔ)句；當(dāng)執(zhí)行完最后一條語(yǔ)句后，便再次執(zhí)行語(yǔ)句塊中的第一條語(yǔ)句，如此循環(huán)反復(fù)。always 語(yǔ)句多用于仿真時(shí)鐘的產(chǎn)生，信號(hào)行為的檢測(cè)等。

后面會(huì)結(jié)合數(shù)電詳細(xì)講解。

1、熟悉wire

module top_module(
    input a,
    input b,
    input c,
    input d,
    output out,
    output out_n ); 
    assign out=(a&b)|(c&d);
    assign out_n=~((a&b)|(c&d));
endmodule

verilog采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，分模塊設(shè)計(jì)，這樣做的好處是，不同的人可以負(fù)責(zé)不同的模塊，最后組裝起來(lái)。每個(gè)模塊都以Module 模塊名開(kāi)始，以endmodule結(jié)尾，且需要定義輸入輸出，以及輸出與輸入的關(guān)系。在這個(gè)實(shí)例中，需要填入的就是兩個(gè)assign語(yǔ)句，得到out和out_n。

2、熟悉向量

當(dāng)位寬大于 1 時(shí)，wire 或 reg 即可聲明為向量的形式。

module top_module( 
    input [2:0] a,
    input [2:0] b,
    output [2:0] out_or_bitwise,
    output out_or_logical,
    output [5:0] out_not
);
assign out_or_bitwise=a|b;
assign    out_or_logical=a||b;
assign  out_not={~b,~a};
endmodule

邏輯或||和位或|的區(qū)別：位或是兩個(gè) N 位向量之間的每一位都進(jìn)行或運(yùn)算形成N位新向量，而邏輯運(yùn)算將整個(gè)向量視為布爾值（true = 非零，false = 零）并生成 1 位輸出。{向量1，向量2,...}可以用于合并向量。位數(shù)少時(shí)可以用于向量反轉(zhuǎn)，例如in[3:0]反轉(zhuǎn)可以使out={in[0],in[1],in[2],in[3]}。

module top_module (
    input a, b, c, d, e,
    output [24:0] out );//
    assign out=~{{5{a}},{5},{5{c}},{5q42tzdg},{5{e}}}^{5{a,b,c,d,e}};
endmodule

向量復(fù)制的格式是{復(fù)制次數(shù){向量}}，注意復(fù)制后的向量需要用{}。異或是a^b，同或是~a^b。

3、熟悉模塊

和之前在python中一樣，模塊實(shí)例化有非常重要的作用。如果事先定義一個(gè)模塊的功能，后面每一次使用時(shí)，都只需要讓自己定義的端口對(duì)應(yīng)上原模塊的端口，就可以調(diào)用。如果不這樣做，每一次使用都需要寫(xiě)一次這個(gè)模塊的代碼。

實(shí)例化有兩種方式，按位置：mod_a instance1 ( wa, wb, wc )；按名稱：mod_a instance2 ( .out(wc), .in1(wa), .in2(wb) )；前一種不建議使用，因?yàn)槿绻K的端口列表發(fā)生更改，則還需要查找并更改模塊的所有實(shí)例化以匹配新模塊。后一種雖然寫(xiě)起來(lái)比較復(fù)雜，但是將每一個(gè)端口都對(duì)應(yīng)上，與位置無(wú)關(guān)。

按名稱：

module top_module ( input a, input b, output out );
mod_a instance1 (
    .out(out),
    .in1(a), 
    .in2(b) 
 );
endmodule

按位置：

module top_module ( input a, input b, output out );
    mod_a instance1 (a,b,out);
endmodule

top_module是模塊名，這個(gè)模塊有兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。這個(gè)模塊里用到了一個(gè)事先定義好的函數(shù)mod_a,也有兩個(gè)輸入端口和輸出端口。將端口對(duì)應(yīng)起來(lái)，這個(gè)模塊就可以實(shí)現(xiàn)mod_a的功能。

下面看幾個(gè)復(fù)雜的例子：

移位寄存器

module top_module ( input clk, input d, output q );
wire q1,q2;
my_dff d0(.clk(clk),.d(d),.q(q1));
 my_dff d1(.clk(clk),.d(q1),.q(q2));
 my_dff d2(.clk(clk),.d(q2),.q(q));
endmodule

這個(gè)模塊名是top_module，有時(shí)鐘，輸入和輸出。實(shí)現(xiàn)定義了一個(gè)函數(shù)my_dff，整個(gè)模塊使用了三次D觸發(fā)器，因此需要實(shí)例化三次。對(duì)于函數(shù)d0,d1,d2都需要把端口對(duì)應(yīng)上，由于q1,q2是引入的變量，用來(lái)將前一級(jí)觸發(fā)器輸出和后一級(jí)觸發(fā)器輸入連接上，所以需要先聲明q1,q2是wire型變量。