verilog语法实例学习(1)

2022-10-27 20:59:11

本文档中通过verilog实例来学习verilog语法。Verilog是一种硬件描述语言，它具有并发性和时序性。并发性是指不同硬件模块的同时操作，时序性是指信号的赋值或操作在时钟的边沿进行。由于作者本身也是一个初学者，所以尽量用简单明了的例子介绍Verilog语法。

Verilog中的注释

Verilog代码中的注释和c++语言相同，分为短注释(//)和长注释(/* … */)。短注释通常放在每行代码的后面或上面，用来注释这行代码的功能。长注释一般在module的开始处，用来说明模块的功能。比如下面四位全加器代码中的注释。 

/*

  通过实例化全加器模块实现四位加法的功能。

  输入：cin，进位

       x, y 被加数和加数

       s 和

       cout 进位

*/

module adder4(cin, x, y,s,cout);

  input cin;

  input [3:0] x;

  input [3:0] y;

  output [3:0] s;

  output cout;

  wire [3:1] c; //内部线网类型信号c，用来存储串行进位

  fulladd stage0(.cin(cin),.x(x[0]),.y(y[0]),.s(s[0]),.cout(c[1]));

  fulladd stage1(.cin(c[1]),.x(x[1]),.y(y[1]),.s(s[1]),.cout(c[2]));

  fulladd stage2(.cin(c[2]),.x(x[2]),.y(y[2]),.s(s[2]),.cout(c[3]));

  fulladd stage3(.cin(c[3]),.x(x[3]),.y(y[3]),.s(s[3]),.cout(cout));

endmodule

Verilog中的信号

Verilog中，电路里面的一个信号就代表一个特定类型的线网(net)或变量。这里线网指的两个或更多电路结点的相互连接。

一个线网或变量的声明格式如下：

type [range] signal_name{,signal_name};

方括号中range（范围）是可选的，如果没有指定范围，默认情况下表示该信号是标量，是只有一位的单位信号。大括号中表示允许加入的条目，也就是说一个在一行里面可以声明多个线网或变量。

范围表示为[Ra:Rb]的形式，它定义了矢量信号的范围。范围[Ra:Rb]可以增大或减小。在任何情况下，Ra都表示一个矢量信号的最高有效位(最左边),Rb表示一个矢量信号的最低有效位(最右边)。Ra和Rb可以是正整数和负整数。

比如：

wire [7:0] x1,x2;

wire [3:1] Array;

reg y1,y2;   //y1和y2没有指定范围，只有一位。

标识符

在verilog中，线网或变量名字是通过标识符来表示的。标识符是由一些字母，数字，下划线或美元符号组成。但必须注意两点：标识符不能以数字开头，也不能使用verilog中的关键字。Verilog标识符中也可以出现转义字符，比如 \abc,如果用转义字符，则可以用特殊字符，比如\*cd,但是通常写代码过程中，不要用转义字符来定义变量，这种转义字符通常是其它语言用工具翻译成verilog语言时自动插入的。另外注意的一点就是verilog是区分大小写的，m和M是两个不同的变量。

合法的标识符：

f, x, x1, x_y, Byte

非法的标识符：

1x, 100, x*y，default（verilog关键字）

Verilog中一些系统任务或函数以$开头，比如$display, $fopen, $monitor等等。Verilog中还定义一些编译指示，以`开头，比如：`timescale 1ns/1ns，定义时间单位和时间精度。

信号的值

Verilog支持单位信号表示的标量（一位信号）或者矢量（多位信号），每个单位信号有四种可能的值：0，1，z(或者Z)，x(或者X)。

0， 逻辑值0

1， 逻辑值1，

在正逻辑系统中，逻辑值0表示低电平，逻辑值1表示高电平。负逻辑系统中正好相反。在教程中，我们总是用正逻辑系统。

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我们用阈值电压来表示电平的逻辑值。 在上图中，最低电压为 Vss，表示接地。VDD表示最高电压，表示接电源，通常电源在5v到1v之间。VDD~V1,min之间的范围对应逻辑值1，V0,max~Vss之间的范围对应逻辑值0。典型的V1,min 是60%Vdd，V0,max是40%Vdd

X, 通常表示多驱动值的冲突，为未初始化的值或者两个反相信号（如0和1）的短接。Verilog中线网和变量的初始值都为X。

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Z, 通常表示未驱动的高阻值，此时在电源和地之间没有电流流动。比如在三态门中，E=0，则输出为Z。

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Verilog中的数字

信号值如果为标量，则为一位的0，1，x或z。例如：

a = 1’b0; b = 1’b1;

c = x; d = z;

对于矢量，通常表示为：[size]’[radix]constant, 标量也可以当作size=1的矢量。其中size表示常数的位数，radix为常数的基数。如果没有指定基数，则默认为十进制。Verilog支持的基数有：d（十进制），b（二进制），h（十六进制），o（八进制）。如果定义的位数大于所需要的位数时，通常在前面补0，但是如果最高位是x或z时候，就用x和z来填充。在常量表示中间，可以任意插入下划线，把数字隔开，以方便阅读。可以在基数前面加s(或者S)以表示这是一个有符号数，若未指定一个整数的进制类型，则默认是有符号数，若指定了进制类型，仅当基数前有s，则其为有符号数，否则为无符号数。对于有符号数，如果定义的位数大于所需要的位数时，前面补最高有效位(MSB)，如下表中的8’sha9。

下面是一些实例：

数字表示

二进制

注释

reg [31:0] a = 8'sha9

‘11111111111111111111111110101001

8位有符号数，所以进行MSB位扩展，

reg [31:0] b = 4'd5

’00000000000000000000000000000101

4位无符号数，高位补0

reg [31:0] c = 12'h5b_3

‘00000000000000000000010110110011

忽略下划线，12位的无符号数，高位补0

reg [31:0] d = -8'b101

’11111111111111111111111111111011

负数转为补码表示，MSB位扩展到32位

reg [31:0] e= 10'o752

‘00000000000000000000000111101010

8进制无符号数，高位补0

reg [31:0] f = 8'hf

’00000000000000000000000000001111

16进制无符号数，高位补0

reg [31:0] g = 12'hxa

‘00000000000000000000xxxxxxxx1010

左边补x直到12位，然后高位补0

reg [31:0] h = -8'sha9

’00000000000000000000000001010111

补码表示负数，扩展MSB位，

reg [31:0] i = 8'ha9

‘00000000000000000000000010101001

无符号数，高位补0

reg [31:0] j = -4'sha

’00000000000000000000000000000110

补码表示负数，扩展MSB位。

实现这些实例的verilog代码为： 

`timescale 1ns/1ns

module verilogdisnum;

  reg [31:0] a = 8'sha9;

  initial $displayb("a=",a);

  reg [31:0] b = 4'd5;

  initial $displayb("b=",b);

  reg [31:0] c = 4'h5b_3;

  initial $displayb("c=",c);

  reg [31:0] d = -8'b101;

  initial $displayb("d=",d);

  reg [31:0] e= 10'o752;

  initial $displayb("e=",e);

  reg [31:0] f = 8'hf;

  initial $displayb("f=",f);

  reg [31:0] g = 12'hxa;

  initial $displayb("g=",g);

  reg [31:0] h = -8'sha9;

  initial $displayb("h=",h);

  reg [31:0] i = 8'ha9;

  initial $displayb("i=",i);

  reg [31:0] j = -4'sha;

  initial  $displayb("j=",j);

endmodule

Verilog中的参数

参数由一个标识符和一个常数组成。比如：

parameter n=4;

parameter S0=2’b00; S1=2’b01;S2=2’b10;S3=2’b11;

标识符n可以在代码中替换表示数字4的地方，S0则可以替换数值2’b00。参数的主要作用是指定参数化的子电路。比如下面的代码中，可以看到代码通过parameter定义了一个常量n，实例化时候通过addern #(.n(32)) addern_0(…)的形式把32传入到参数n中，从而实现32位的加法操作。另外一种调用参数的方法是用defparam,比如下面的例子：

addern addern_0(…)

defparam addern_0.n=32;

但这种方法是不可综合的，通常只是用在testbench当中。 

module addern(x, y, s, cout);

  parameter n=8;

  input [n-1:0] x;

  input [n-1:0] y;

  output reg[n-1:0] s;

  output reg cout;

  reg [n:0] c;

  integer k;

  always @(x,y) begin

    c[0] = 1'b0;

	 for(k = 0; k < n; k = k + 1) begin

	   s[k] = x[k]^y[k]^c[k];

		c[k+1] = (x[k]&y[k])|(x[k]&c[k])|(y[k]&c[k]);

	 end

	 cout = c[n];

    end

endmodule

`timescale 1ns/1ns

`define clock_period 20

module addern_tb;

  reg [7:0] x,y;

  wire cout;

  wire [7:0] s;

  reg clk;

  addern #(.n(32)) addern_0(

						.x(x),

						.y(y),

						.s(s),

						.cout(cout)

                  );

  initial clk = 0;

  always #(`clock_period/2) clk = ~clk;

  initial begin

     x = 0;

     repeat(20)

	    #(`clock_period) x = $random;

   end

  initial begin

     y = 0;

     repeat(20)

	    #(`clock_period) y = $random;

   end

  initial begin

     #(`clock_period*20)

	  $stop;

  end

endmodule
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