02-初识Verilog

1.开发环境搭建

需要使用的软件:

• QuartusII
• ModelSim
• Visio
• Notepad++

2.初识Verilog

2.1 Verilog HDL简介

• Verilog HDL是一种硬件描述语言,以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言,用它可以表示逻辑电路图\逻辑表达式,还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能
• Verilog语法自由,易学易用,适用于算法级,门级设计,代码简介,发展较快
• Verilog从C语言发展而来的

2.2 逻辑值

• 0 -- 逻辑低电平,条件为假
• 1 -- 逻辑高电平,条件为真
• z -- 高阻态,无驱动
• x -- 未知逻辑电平
• 实际电路中存在0,1,z,亚稳态

2.3 关键字

module example(
  input wire  sys_rst_n,//输入信号
  inout wire sda,//输入输出信号,基本不用

  output wire po_flag  // 输出信号
);
  // 只有输入信号是不能直接得到输出信号的
  // 需要通过一些数据和参数对输入信号进行处理,得到输出信号
  // 一般需要对输入信号进行处理之后得到输出信号

  // 线网型变量 -- wire可以被看作是物理连接 -- 被综合成物理连线
  wire [0:0] flag;

  // 寄存器型变量 -- 具有对某一时间点的状态进行保持的功能
  // 可综合电路中被综合成寄存器
  reg [7:0] cnt;

  // 参数的定义
  // parameter 可以在顶层模块通过实例化对参数进行修改
  parameter CNT_MAX = 100;

  //localparam -- 只用在模块内部,不能在实例化的时候进行修改
  localparam CNT_MAX = 100;

  // 模块的实例化
  example
  #(
    .CNT_MAX (8'd100) // 实例化时参数可以修改
  )
  example_inst
  (
    .sys_clk (sys_clk),
    .sys_rst_n (sys_rst_n),
    .po_flag (po_flag)
  );

  /*
    常量
    表示方法: [换算为二进制数之后的位宽]'[进制符号][与数值对应的进制数]
    8'd171
    d -- 十进制
    b -- 二进制
    h -- 十六进制

    不写位宽 -- verilog会自动进行匹配
    总位宽大于实际位宽,自动补0,总位宽小于实际位宽,则自动截断左边超出的位数
    d'7  8'd7   -- 8'b0000_0111   前面补5个0
    2'd7 换算位二进制是 2'b11 (7换成二进制是111),总长度位2位,所以截掉左侧的部分
    直接写参数 100 ,表示位宽为32bit的十进制数100
  */

  // 赋值方式
  // 阻塞赋值 =
  // 阻塞赋值可以看作是顺序执行,每条语句执行完成之后才能执行下一条语句
  a = 1;
  b = 2;
  c = 3;
  begin
    a = b;
    c = a;
  end
  a = 2;
  b = 2;
  c = 2;
  // 非阻塞赋值 <= 并行执行
  a = 1;
  b = 2;
  c = 3;
  begin
    a <= b;  // 同一时刻,这两条语句是同时执行的
    c <= a;
  end
  a = 2;
  b = 2;
  c = 1;

  // always语句
  always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
      cnt <= 8'b0; // 进行寄存器复位
    else if (cnt == CNT_MAX) // 寄存器中的值记到最大的时候,维持最大值
      cnt <= CNT_MAX;
    else
      cnt <= cnt + 8'd1;    // 每个周期都加1

  // assign语句
  assign po_flag = (cnt == CNT_MAX) ? 1'b1 : 1'b0;
endmoudle

2.4 算术运算符

+
-
* -- 一般不用
/ -- 一般不用
% -- 求余数,两边都为整型数据

2.5 归约运算符\按位运算符

• & -- 既可以作为单目运算符又可以作为双目运算符

// & 作为单目运算符,&m,将m的所有bit相与,得到结果是1bit
4'b1111 = 1&1&1&1 = 1'b1
4'b1101 = 1&1&0&1 = 1'b0

// & 作为双目运算符表示按位与,m&n,是将m的每个bit与n的每个bit相与,在运算的时候保证m和n的bit数相等,最后结果位数和m(n)的bit数相等
4'b1010&4'b0101 = 4'b0000

• _&,^,^,|,~| -- 这些运算符都有相同的看法

2.6 逻辑运算符

• &&/||/! -- 与或非三种逻辑运算,返回值为0或者是1
• 逻辑运算符两边非0位真,0为假

a = 4'ha
b = 4'd0
c = a && b   // c的值为0

2.7 关系运算符

a < b
a > b
a <= b
a >= b

2.8 移位运算符

• 移位运算符是二元运算符,<<和>>,将运算符左边的数左移或者是右移指定的位数,用0来补充空闲位

b <= a << 1; // a的每一位都左移一位,结果赋值给b
b <= a >> 1; // a的没一位都右移一位,结果赋值给b

• 在应用移位运算符的时候一定要注意他的特性:就是空闲位使用0来补充,也就是说,一个二进制数不管原来的数值是多少,只要一直移位,最终都会变为0

4'b1000 >> 3;  // 4'b0001
4'b1000 >> 4;  // 4'b0000

• 移位运算符可以代替乘法和除法,左移一位可以看成是乘2,右移一位可以看成是除2,但是要注意位拓展

2.9 拼接运算符

• {,} -- 位拼接运算符

a = 8'b1011_1111;
b = 3'b011;
c = 5'b11011;
{a,b,c} ; // 拼接成16bit

2.10 三元运算符

[表达式1]?表达式2:表达式3
a = 6;
b = 7;
c = (a>b)?a:b;

2.11 优先级

• 一元运算符>二元运算符>三元运算符
• != > 按位运算 > && > || > 条件运算
• 归约运算符 > 算术运算符 > 移位运算符 > 关系运算符 > == 和 !=
• 使用()提升优先级

2.12 if-else语句

if(表达式)   // 这种写法在always语句块产生组合逻辑的时候中会产生latch,不推荐使用
  语句块;

if(表达式)
  语句块1;
else if(表达式2)
  语句块2;
....
else
  语句;    // 这种是最常用的写法

2.12 case语句

switch(表达式)
  case value1 : 语句1;
  case value2 : 语句2;
  ....
  default: 语句;

2.13 系统函数

`timescale 1ns/1ns  // 时间尺度预编译指令 时间单位/时间精度
时间单位和时间精度有由1,10及100以及s,ms,ns,us,ps,fs组成
时间单位:定义仿真过程中所有与时间相关量的单位
仿真中使用#数字表示延迟相应的时间单位的时间,例如#10表示延时10个时间单位,即10ns

时间精度:决定时间相关量的精度及仿真显示的最小单位
`timescale 1ns/10ps  // 精度0.01, #10.11 表示延迟10110ps

`timescale 100ps/1ns // 错误,时间单位不能比时间精度小

// 主要的函数,在支持verilog语法的编译器中都会显示为高亮的关键字
$display    //打印信息,自动换行
$write      //打印信息
$strobe     //打印信息,自动换行,最后执行
$monitor    //检测变量
$stop       //暂停仿真
$finish     //结束仿真
$time       //时间函数
$random     //随机函数
$readmemb   //读取文件的函数

$display()

$display(); //  输出,打印信息
$display("%b+%b = %d",a,b,c);
// %d %D -- 十进制
// %o %O -- 八进制
// %b %B -- 二进制
// %d %D -- 十六进制
// 不指定进制,默认为十进制数

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  reg [3:0] c;

  // initial只在仿真中使用,是不可综合的
  // 仿真开始,只执行一次
  initial begin
    $display("Hello");
    $display("EmbedFire");
    a = 4'd5;
    b = 4'd6;
    c = a + b;
    #100;
    $display("%b + %b = %d",a,b,c);

  end
endmodule

result:
Hello
EmbedFire
010 + 0110 = 11

$write()

• write() -- 输出打印信息 -- 函数不会自动进行换行

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  reg [3:0] c;

  // initial只在仿真中使用,是不可综合的
  // 仿真开始,只执行一次
  initial begin
    $write("Hello");
    $write("EmbedFire");
    a = 4'd5;
    b = 4'd6;
    c = a + b;
    #100;
    $write("%b + %b = %d",a,b,c);

  end
endmodule

$strobe()

• 输出打印函数 -- 在最后进行执行

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  reg [3:0] c;

  // initial只在仿真中使用,是不可综合的
  // 仿真开始,只执行一次
  initial begin
    $strobe("strobe:Hello"); // 写在最前面,但是执行在最后
    a = 4'd5;
    $display("EmbedFire");
    $display("display:%b + %b = %d",a,b,c);  // 在执行这条语句的时候b,c都没有进行赋值
                                             // 所以b,c未知的x
    b = 4'd6;
    c = a + b;
    #100;

  end
endmodule

$monitor()

• 检测变量,只要打印的变量发生了变化,就会执行一次

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

	reg [3:0] a;
	reg [3:0] b;
	reg [3:0] c;

	initial begin
		a = 4'd5;
		#100;
		b = 4'd6;
		#100;
		c = a + b;
	end

	initial begin
		$monitor("%b + %b = %d",a,b,c);
	end
endmodule

$stop

• 暂停执行仿真

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();
  initial begin
    $display("hello");
    $display("EmbedFire");
    #100;
    $display("Stop Simulation");
    $stop;
    #100;
    $display("Finish Simulation");
    $finish; // 结束仿真
  end
endmodule

$time

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();
  reg [3:0] a;
  always #10 a = $random;
  initial $monitor("a = %d @time %d",a,$time);
endmodule

$readmemb 和 $readmemh

• $readmemb -- 用于读取二进制文件函数
• $readmemh -- 用于读取十六进制文件函数

$readmemb("数据文件名",存储器名);
$readmemh("数据文件名",存储器名);

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

  integer i;
  reg [7:0] a [20:0]; // a 为宽度为8bit,深度为21bit的存储器

  initial begin
    $readmemb("EmbedFire.txt",a);
    for(i = 0;i<=20;i=i+1) begin
      #10;
      $write("%s",a[i]);  // Welcome to EmbedFire!
    end
  end
endmodule

读取的文件