Verilog基础（一）：基础元素

verilog基础

我先说，看了肯定会忘，但是重要的是这个过程，我们知道了概念，知道了以后在哪里查询。语法都是术，通用的概念是术。所以如果你有相关的软件编程经验，那么其实开启这个学习之旅，你会感受到熟悉，也会感受到别致。

---

入门

- 如何开始

欢迎来到二进制的世界，数字逻辑的入门一开始可能有难度，因为你需要学习新的概念，新的硬件描述语言(HDL – Hardware Description Language)例如 verilog，几个新的仿真软件和一块FPGA的板子.但是这能帮你更加深刻的理解计算机的运作原理.

设计电路需要如下几个步骤：

1. 编写HDL(verilog)代码
2. 编译代码生成电路
3. 模拟电路并修复错误

下面，我们来个简单的例子，请把one的输出设为1：

• Module Declaration

module top_module(output one);

• Solution

module top_module( output one );assign one = 1;endmodule

- 输出0

建立一个没有输入，输出为常数0的电路.

本系列题使用verilog-2001 ANSI-style 的端口声明语法，因为它更容易阅读并减少了拼写错误.如果愿意，可以使用旧的verilog-1995语法.例如，下面的两个模块声明是可接受的和等效的：

module top_moduel(zero);output zero;//verilog-1995
endmodulemodule top_module(output zero);
//verilog-2001
endmodule

• Module Declaration

module top_module(output zero
);

• Solution

module top_module(output zero
);// Module body starts after semicolonassign zero=0;
endmodule

---

Verilog 语言

基础元素

- wire类型

创建一个具有一个输入和一个输出的模块，其行为想一条"线"(Wire)。

与物理线不同但十分相似，Verilog中的线(和其他信号)是定向的。

这意味着信息只在一个方向上流动，从(通常是一个)源流向汇点(该源通常也被称为驱动程序，将值驱动到wire上)。

在verilog"连续赋值"(assign left_side=right_side;)中，右侧的信号值被驱动到左侧的"线"上。

请注意：赋值是"连续的"(Continuous Assignments)，因为如果右侧的值发生更改，分配也会一直持续，因此左侧的值将随之改变。(这里与其他语言有很大区别)。 连续分配不是一次性事件，其产生的变化是永久的。

想要真正理解为啥会这样，你首先要明白，你并不是在编写程序，你其实是在用代码"画"电路!
因此输入端的电平高低的变化必然会影响到wire的另一端，你可以想像真的有一根电线连接两个变量。

模块(module)上的端口(port)也有一个方向(通常是输入 – input或输出 – output)。

输入端口由来自模块外部的东西驱动，而输出端口驱动外部的东西。从模块内部查看时，输入端口是驱动程序或源，而输出端口是接收器。

下图说明了电路的每个部分如何对应Verilog代码的每个部分。

• 模块和端口声明创建电路的黑色部分。
• 您的任务是通过添加一个assign语句来创建一条线(绿色)。
• 盒子外的部件不是您的问题，但您应该知道，通过将测试激励连接到top_module上的端口来测试电路。

除了连续赋值之外，Verilog还有另外三种用于程序块(Procedural block)的赋值类型，其中两种是可综合的。在开始使用Procedural block之前，我们不会使用它们.

• Module Declaraction

module top_module( input in， output out );

• Solution

module top_module( input in， output out );assign out = in;
endmodule

这里的 Module Declaraction 和 Solution就像是对应C里面的声明和定义实现

- Four wires

创建一个具有3个输入和4个输出的模块，这些输入和输出的行为如下：

A ->W
B -> X
B -> Y
C -> Z

下图说明了电路的每个部分如何对应Verilog代码的每个部分.模块外部有三个输入端口和四个输出端口.

当您有多个assign语句时，它们在代码中的出现顺序并不重要.与编程语言不同，assign语句(“连续赋值”)描述事物之间的连接，而不是将值从一个事物复制到另一个事物的操作.

可能现在应该澄清的一个潜在的困惑来源是：这里的绿色箭头表示电线之间的连接，但不是wire本身.

模块本身已经声明了7条线(名为A、B、C、W、X、Y和Z).这是因为input与output被声明为了wire类型.因此，assign语句不会创建wire，而是描述了在已存在的7条线之间创建的连接.

• Module Declaraction

module top_module(input a，b，c;output w，x，y，z
);

• Solution

module top_module( input a，b，c，output w，x，y，z );assign w=a;assign x=b;assign y=b;assign z=c;
endmodule

- 反转器 (Inveter)

创建实现非门的模块.

这个电路和电线相似，但有点不同.当把电线从进线连接到出线时，我们要实现一个反相器(非门)，而不是一根普通的线.

使用assign语句.assign语句将连续地将in取反并输出.

• Module

module top_module( input in， output out );

• Solution

module top_module( input in， output out );assign out = !in;
endmodule

- 与门 (AND gate)

创建实现和门的模块.

这个电路现在有三条线(A、B和OUT).导线A和B已经具有由输入端口驱动的值.但目前的布线并不是由任何东西驱动的.写一个赋值语句，用信号A和B的和来驱动.

输入线由模块外部的东西驱动.assign语句将把一个逻辑级别驱动信号连接到一条线上.正如您可能期望的那样，一条线不能有多个驱动信号(如果有的话，它的逻辑级别是什么?)，并且没有驱动信号的导线将具有未定义的值(在合成硬件时通常被视为0，但有时候会出现奇怪的错误).

• Module Declaraction

module top_module( input a， input b， output out );

• Solution

module top_module( input a， input b， output out );
assign out = a&b;
endmodule

- 或非门 (NOR gate)

创建实现或非门的模块.或非门是一个输出反转的或门.

assign语句用一个值来驱动(drive)一条线(或者更正式地称为"net").这个值可以是任意复杂的函数，只要它是一个组合逻辑(即，无内存(memory-less)，无隐藏状态).

• Module Declaraction

module top_module( input a， input b， output out );

• Solution

module top_module( input a， input b， output out );assign out = !(a|b);
endmodule

- 异或非门 (XNOR gate)

实现异或非门模块.

• Module Declaraction

module top_module( input a， input b， output out );

• Solution

module top_module( input a， input b， output out );assign out = !(a^b);
endmodule

- 声明wires

到目前为止，电路都十分简单。随着电路变得越来越复杂，您将需要wire将内部组件连接在一起。当您需要使用导线时，您应该在模块体中在首次使用之前的某个地方声明它.

(将来，您将遇到更多类型的信号和变量，它们也以相同的方式声明，但现在，我们将从Wire类型的信号开始).

module top_module (input in，              // Declare an input wire named "in"output out             // Declare an output wire named "out"
);wire not_in;           // Declare a wire named "not_in"assign out = ~not_in;  // Assign a value to out (create a NOT gate).assign not_in = ~in;   // Assign a value to not_in (create another NOT gate).endmodule   // End of module "top_module"

实现以下电路.

创建两个wire(命名任意)以将and/or gate 连接在一起.

请注意，Not gate 是输出，因此您不必在这里声明第三条线.

wire可有多个输出，但只能有一个输入驱动. 下面这例子：

如果您遵循图中的电路结构，那么应该以四个赋值语句结束，因为有四个信号需要赋值.

• Module Declaraction

`default_nettype none
module top_module(input a，input b，input c，input d，output out，output out_n   ); 

• Solution

`default_nettype none
module top_module(input a，input b，input c，input d，output out，output out_n   ); wire inside1，inside2;assign inside1 = a&b;assign inside2 = c&d; assign out = inside1|inside2;assign out_n = !(out);endmodule

- 7458模块

实现如下电路：

• Module Declaraction

module top_module ( input p1a， p1b， p1c， p1d， p1e， p1f，output p1y，input p2a， p2b， p2c， p2d，output p2y );

• Solution

module top_module ( input p1a， p1b， p1c， p1d， p1e， p1f，output p1y，input p2a， p2b， p2c， p2d，output p2y );wire inside1，inside2，inside3，inside4;assign inside1 = p1a&p1b&p1c;assign inside2 = p1d&p1e&p1f;assign inside3 = p2a&p2b;assign inside4 = p2c&p2d;assign p1y = inside1|inside2;assign p2y = inside3|inside4;endmodule

---

容器(Vectors)

- 容器介绍

vector被用来对相关的信号进行分组，以便于操作.例如，Wire[7：0]w;

声明一个名为w 的 8 位数组，在功能上相当于具有8条独立的线.

请注意，vector的声明将维度(dimensions 即数组长度)放在容器名称之前，这与C语法相比不常见.

至于为什么会是如下声明，主要是采用了小端序.

Wire[99：0]my_vector；//声明一个长度为100容器
assign out=my_vector[10]；//从数组中选择一位

构建一个具有一个3位vector输入的电路，并将其拆分为三个单独的1位输出.

• Module Declaraction

module top_module ( input wire [2：0] vec，output wire [2：0] outv，output wire o2，output wire o1，output wire o0  ); 

• Solution

module top_module ( input wire [2：0] vec，output wire [2：0] outv，output wire o2，output wire o1，output wire o0  ); // Module body starts after module declarationassign o0 = vec[0];assign o1 = vec[1];assign o2 = vec[2];assign outv = vec;
endmodule

- 容器细节

vector声明如下：

type [upper：lower] vector_name;
type指定了vector的类型，通常是wire或者reg.

wire [2：0] a， c;   // Two vectors
assign a = 3'b101;  // a = 101
assign b = a;       // b =   1  implicitly-created wire
assign c = b;       // c = 001  <-- bug
my_module i1 (d，e); // d and e are implicitly one-bit wide if not declared.// This could be a bug if the port was intended to be a vector.

这里有一个问题：变量b在之前并没有被声明。在Verilog中，如果在使用一个变量之前没有声明它，编译器可能会隐式地声明它，但具体行为依赖于编译器的实现和设置。对于assign语句中的未声明变量，Verilog标准并没有规定必须隐式声明为多少位宽。如果编译器隐式地将b声明为一个单一位宽的线网（这是某些编译器的默认行为），那么这里就会发生位宽不匹配的问题。正确的做法是显式声明b的位宽，例如wire [2:0] b;。

由于b可能没有被正确声明为3位宽（如上所述），这里将b的值赋给c可能不会产生预期的结果。如果b被隐式声明为1位宽，那么即使a是101，b也只能存储最低位（1），然后这个值会被扩展到c的3位宽（变成001），这不是原意。

这行代码实例化了一个名为my_module的模块，其实例名为i1。d和e是连接到my_module端口的信号。如果d和e在之前没有被声明，并且my_module的对应端口是向量而不是单一位，那么这里也可能存在位宽不匹配的问题。在Verilog中，如果端口连接时未声明的信号会被隐式声明为1位宽。为了避免潜在的错误，应该显式声明所有端口信号的位宽。

• 关于"片选"(Part Selection)

访问整个数组只需要：

assign w = a;

而访问数组的一部分，若长度在赋值时不匹配，则用0补齐例如：

reg [7：0] c;
assign c = x[3：1];
//此时，长度不匹配，则用0补齐w[3：0]      // Only the lower 4 bits of w
x[1]        // The lowest bit of x
x[1：1]      // ...also the lowest bit of x
z[-1：-2]    // Two lowest bits of z
b[3：0]      // Illegal. Vector part-select must match the direction of the declaration.
b[0：3]      // The *upper* 4 bits of b.
assign w[3：0] = b[0：3];    // Assign upper 4 bits of b to lower 4 bits of w. w[3]=b[0]， w[2]=b[1]， etc.

建立一个电路，将一个半字(16 bits，[15：0])分成高8位[15：8]，与低8位[7：0]输出.

• Module Declaraction

`default_nettype none     // Disable implicit nets. Reduces some types of bugs.
module top_module( input wire [15：0] in，output wire [7：0] out_hi，output wire [7：0] out_lo );

• Solution

`default_nettype none     // Disable implicit nets. Reduces some types of bugs.
module top_module( input wire [15：0] in，output wire [7：0] out_hi，output wire [7：0] out_lo );assign out_lo = in[7：0];assign out_hi = in[15：8];
endmodule

在Verilog中，default_nettype 指令用于指定当在代码中遇到未声明的信号时，这些信号应该被隐式地声明为什么类型的线网（net）。默认情况下，如果不指定 default_nettype，某些Verilog编译器可能会将未声明的信号隐式地声明为1位宽的 wire 类型。 然而，这种行为可能会导致难以追踪的bug，特别是当期望的信号宽度与实际隐式声明的宽度不匹配时。

指令 default_nettype none 的作用是禁用隐式线网的声明。这意味着，如果在代码中使用了未声明的信号，编译器将会报错，而不是隐式地为其创建一个线网。这有助于减少由于未声明信号而导致的某些类型的bug，因为它迫使设计师显式地声明所有使用的信号及其位宽。

- 容器的片选(Vector part select)

32位矢量可以被视为包含4个字节(位[31：24]、[23：16]等).建立一个电路，使4字节字颠倒顺序.

aaaaaaaabbbbbbcccccccccddddddd=>ddddddddccccccccccbbbbbbbaaaaaaaa

此操作通常在需要交换一段数据的结束地址时使用，例如在Little Endian(小端序) x86系统和许多Internet协议中使用的Big Endian(大端序格式之间.

• Module Declaraction

module top_module( input [31：0] in，output [31：0] out );

• Solution

module top_module( input [31：0] in，output [31：0] out );//// assign out[31：24] = ...;assign out[31：24] = in[7：0];assign out[23：16] = in[15：8];assign out[15：8] = in[23：16];assign out[7：0] = in[31：24];
endmodule

- 位级操作(Bitwise operators)

建立一个电路，该电路有两个3-bits输入，用于计算两个vector的"基于位"的或(bitwise-OR)、两个矢量的"逻辑或"(Logical-OR)和两个矢量的非(NOT).将b的非放在out-not的高位部分(即[5：3])，将a的非放在低位部分.

看看模拟波形，看看bitwise-OR与Logical-OR的区别.

• Module Declaraction

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
);

• Solution

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[2：0] = ~a;	// Part-select on left side is o.assign out_not[5：3] = ~b;	//Assigning to [5：3] does not conflict with [2：0]endmodule

- 4位Vecotr

建立一个具有4为输入的组合电路，输出要求如下：

• out_and： 输入经过 “与门” 后的结果

• out_or： 输入经过 “或门” 后的结果

• out_xor： 输入经过 “异或门” 后的结果

• Module Declaraction

module top_module( input [3：0] in，output out_and，output out_or，output out_xor
);

• Solution

module top_module( input [3：0] in，output out_and，output out_or，output out_xor
);assign out_and = in[0]&in[1]&in[2]&in[3];assign out_or = in[0]|in[1]|in[2]|in[3];assign out_xor = in[0]^in[1]^in[2]^in[3];
endmodule

- Vector连接操作符(Vector concatenation operator)

片选用于选择vector的部分。连接运算符{a，b，c}用于通过将vector的较小部分连接在一起来创建较大的vector.

{3'b111， 3'b000} => 6'b111000
{1'b1， 1'b0， 3'b101} => 5'b10101
{4'ha， 4'd10} => 8'b10101010     // 4'ha and 4'd10 are both 4'b1010 in binary

连接需要知道每个组件的宽度，因此，{1，2，3}是非法的，并导致错误消息：串联中不允许使用未经大小化的常量.

连接操作符可以在赋值的左侧和右侧使用.

input [15：0] in;
output [23：0] out;
assign {out[7：0]， out[15：8]} = in;         // Swap two bytes. Right side and left side are both 16-bit vectors.
assign out[15：0] = {in[7：0]， in[15：8]};    // This is the same thing.
assign out = {in[7：0]， in[15：8]};       // This is different. The 16-bit vector on the right is extended to// match the 24-bit vector on the left， so out[23：16] are zero.// In the first two examples， out[23：16] are not assigned.

连接并重新分割给定输入：

• Module Declaraction

module top_module (input [4：0] a， b， c， d， e， f，output [7：0] w， x， y， z );

• Solution

module top_module (input [4：0] a， b， c， d， e， f，output [7：0] w， x， y， z );//// assign { ... } = { ... };assign {w[7：0]，x[7：0]，y[7：0]，z[7：0]} = {a[4：0]，b[4：0]，c[4：0]，d[4：0]，e[4：0]，f[4：0]，2'b11};
endmodule

- 反转Vector

反转一个8位vector

• Module Declaraction

module top_module( input [7：0] in，output [7：0] out
);

• Solution

module top_module( input [7：0] in，output [7：0] out
);assign {out[0]，out[1]，out[2]，out[3]，out[4]，out[5]，out[6]，out[7]} = in;
endmodule

- 拷贝操作符(Replication operator)

连接运算符允许将vector连接在一起以形成较大的vector.但是有时候你想把同一个东西连接在一起很多次，比如assign A = {B， B， B， B， B， B};这样的事情仍然很乏味.复制运算符允许复制vector并将它们连接在一起：

{num{vector}}

这会将vector复制num次.

例如：

{5{1'b1}}           // 5'b11111 (or 5'd31 or 5'h1f)
{2{a，b，c}}          // The same as {a，b，c，a，b，c}
{3'd5， {2{3'd6}}}   // 9'b101_110_110. It's a concatenation of 101 with// the second vector， which is two copies of 3'b110.

复制运算经常会用在"有符号数"的扩转运算中，假如将一个8位有符号数扩展到16位，我们需要将其符号位进行复制并填充到扩展位.即：

8'b10000001 => 16'b1111111110000001
//这就是有符号数的扩展

• Module Declaraction

module top_module (input [7：0] in，output [31：0] out );

• Solution

module top_module (input [7：0] in，output [31：0] out );//// assign out = { replicate-sign-bit ， the-input };assign out[31：0] = {{24{in[7]}}，in[7：0]};
endmodule

- 拷贝练习

给定5个1位的输入信号，并进行如下图的比较运算，相同的位记为1，并储存在out中.

out[24] = ~a ^ a;   // a == a， so out[24] is always 1.
out[23] = ~a ^ b;
out[22] = ~a ^ c;
...
out[ 1] = ~e ^ d;
out[ 0] = ~e ^ e;

• Module Declaraction

module top_module (input a， b， c， d， e，output [24：0] out );

• Solution

module top_module (input a， b， c， d， e，output [24：0] out );//// The output is XNOR of two vectors created by // concatenating and replicating the five inputs.// assign out = ~{ ... } ^ { ... };assign out =  ~{{5{a}}，{5{b}}，{5{c}}，{5{d}}，{5{e}}} ^ {5{a，b，c，d，e}};
endmodule

---