数字集成电路设计（二、Verilog HDL基础知识）

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• Verilog来源于C语言，后面会发现它的语法集和C语言几乎完全一样，但是设计方法和C语言完全不一样

1. 语言要素

1.1 空白符

空白符包括空格符（\b)、制表符(\t)、换行符和换页符。空白符使代码看起来结构清晰阅读起来更方便。在编译和综合时，空白符被忽略。

1.2 注释符

• 和C语言完全一样
  (1)单行注释:单行注释以“//”开始，Verilog HDL 忽略从此处到行尾的内容。
  (2)多行注释:多行注释以“/*”开始，到“*/”结束，Verilog HDL忽略其中的注释内容
  
  
• 多行注释不允许嵌套，但是单行注释可以嵌套在多行注释中

1.3 标识符

• 它可以是任意一组字母、数字、$符号和_(下划线)符号的组合。应该注意的是，标识符的字母区分大小写，并且第一个字符必须是字母或者下划线。
  

1.3.1 转义标识符

• Verilog HDL 规定了转义标识符(Escaped Identifier)。采用转义标识符可以在一条标识符中包含任何可打印的字符。转义标识符以“\”(反斜线)符号开头，以空白结尾(空白可以是一个空格、一个制表字符或换行符)。
  

1.4 关键字

• Verilog HDL语言内部已经使用的词称为关键字或保留字，它是 Verilog HDL语言内部的专用词，是事先定义好的确认符，用来组织语言结构。
• 用户不能随便使用这些关键字。需注意的是，所有关键字都是小写的
• 例如，ALWAYS 不是关键字，它只是标识符，与always(关键字)是不同的
  

1.5 数值

• Verilog有四种基本的逻辑数值状态
  

1.5.1 整数及其表示方式

• 整数的表示形式为如下:
  +/-
  （1）“+/-”是正数和负数标示
  （2）size 指换算过后的二进制数的宽度
  （3）“ ’ ”为基数格式表示的固有字符
  （4）base_format 是其基数符号
  （5）number是可以使用的数字字符集，形式上是相应进制格式下的一串数值

• 需要注意
  （1）在位宽和字符之间以及进制和数值之间可以有空格，但数字之间不能有空格，下面的情况是允许的
  
  （2）下面的情况是不允许的

1.5.2 实数及其表示方式

• 在硬件描述语言中，没有实数。想要表示一个带小数点的数字只能用定点（小数点位置固定）或者浮点的表示方法，把小数变成整数
• 电路设计中，没有传统意义的实数概念。**但是HDL为什么规定这个方式，是用在测试和仿真中间。**不能用在设计。
• 实数有两种表示方法：
  （1）十进制表示法。采用十进制格式，小数点两边必须都有数字，否则为非法的表示形式。例如:3.0、4.54、0.2 等都是正确的，而5.是错误的。
  （2）科学计数法。例如:564.2e2 的值为 56420.0，8.7E2 的值为870.0(e 不分大小写)3E-3的值为0.003。
  

1.5.3 字符串及其表示方式

• 字符串是指用双引号括起来的字符序列，它必须包含在同一行中，不能分行书写。若字符串用作 Verilog HDL表达式或赋值语句中的操作数则字符串被看做8位的ASCII值序列，即一个字符对应8位的ASCII值。例如"hello world"和"Anexample for Verilog HDL"是标准的字符串类型。

2. 数据类型

• 这是一个新的概念，因为在HDL中，我们面对的是数字电路，数字电路就会有一个能力的问题（并不是以电压来衡量，是以电流来衡量），所以根据电流驱动能力的强弱，分成了以下等级：
  
• supply：导线直接连接
• strong：上拉电阻接到电源
• pull：上拉电阻比strong的上拉电阻要大
• large：大容性，有存储的功能
• weak：电流非常小
• medium：电流更小一点
• small：小容性
• highz：高阻态，直接断开

2.1 物理数据类型

2.1.1 连线型

• 最常用的是wire和tri，wire表示的是0，1和不定状态（X）。tri成为三态，包括了0，1，不定状态（X）和高阻状态（Z）
• wor也是一种连线型的变量，但是它解决的问题是两个线对一个线进行驱动，实际上是在两个线中间增加了一个或门
• 功能
  （1）wire和tri
  
  （2）wor和trior（带有一定逻辑功能，线或）
  
  （3）wand和triand（带有一定逻辑功能，线或）
  

2.1.2 寄存器型

• 在数字电路设计过程中，经常会遇到组合电路和时序电路，组合电路就是连线型的变量和时序电路就是带有寄存器功能的，叫做reg类型
• reg型数据与 wire型数据的区别在于，reg 型数据保持最后一次的赋值，而wire型数需要有持续的驱动。
• 一般情况下，reg 型数据的默认初始值为不定值 x，缺省时的位宽1 位。
  
• reg 型变量一般为无符号数，若将一个负数赋给 reg 型变量，则自动转换成其二进制补码形式
  

2.2 连线型和寄存器型数据类型的声明

2.2.1 连线型数据类型的声明

• 缺省的连线型数据的默认类型为1位(标量)wire类型。
• Verilog HDL禁止对已经声明过的网络、变量或参数再次声明。
• 连线型数据类型声明的一般语法格式如下:
  
  （1）net_declaration: 表示网络型数据的类型，可以是 wire、tri、tri0、tr1、wand、triand.trior、wor、trireg 中的任意一种。对于 trireg 类型，其声明还有一个 charge_strength(电荷强度)的可选项
  （2）range:用来指定数据为标量或矢量。若该项默认，表示数据类型为1位的标量，超过1位则为矢量形式。
  （3）delay:指定仿真延迟时间
  （4）list_of_variables: 变量名称，一次可定义多个名称，之间用逗号分开

2.2.2 寄存器型数据类型的声明

• range为可选项，它指定了 reg 型变量的位宽，缺省时为1位
• list_of_register_variables:变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开
• 它只表示一个存储，没有驱动强度这样的概念

2.3 物理数据类型的声明举例

2.4 存储器型

• 存储器型变量可以描述 RAM 型、ROM 型存储器以及 reg 文件
• 存储器型变量的一般声明格式：
  
  （1）range1:表示存储器中寄存器的位宽，格式为[msb:lsb]。
  （2）range2:表示寄存器的个数，格式为[msb:lsb]，即有 msb-lsb+1个。
  （3）name_of_register:变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开

• 一个 n 位的寄存器可以在一条赋值语句里进行赋值，而一个完整的存储器则不行。例如，对于上例可以进行“rega=0;”的赋值操作，而不能进行“meml=0”的赋值操作
• 如果想对存储器中的存储单元进行读写操作，则必须指定该单元在存储器中的地址

2.5 抽象数据类型

• 除了物理数据类型外，Verilog HDL 还提供了以下几种抽象数据类型:整型(integer)时间型(time)、实型(real)及参数型(parameter)。它们只是纯数学的抽象描述，不能够与实际的硬件电路相映射。

3. 运算符

• 运算符在Verilog起到了很大的作用，它代表着电路，这是一个很重要的内容
  
• 会牵扯到两个概念：
  （1）优先级是什么（保留了和其他高级语言相类似的运算符优先级）
  （2）功能是什么

3.1 算术运算符

• Verilog HDL中常用的算术运算符主要有五种，分别是加法(+)减法(-)乘法(*)除法(和取模(%)。
• 这五种运算符都属于双目运算符。符号“+”、“-”、“*”、“/”分别表示常用的四则运算。%是取模运算，如“6%3”的值为 0，“7%4”的值为3。
• 需要注意：
  （1）在赋值语句下，算术操作结果的长度由操作左端的目标长度决定。
  （2）有符号数和无符号数的使用。当信号位宽不同的时候，表征的数是不一样的，希望尽可能采用无符号数作为设计的基础。
  
• 可以看到Verilog对运算符的处理很特殊，一直在考虑输入位宽和输出位宽（加法器就是两路数进去出来一路数，只和数据位宽有关系），HDL更注重于描述运算符的结构特性
• ！！加法和减法是可以直接进行综合的，也就是说当我们使用这个符号的时候，我们的设计工具就会给我们设计一个加法电路或者减法电路，换句话说，加法电路和减法电路其实是一样的，所谓的减法电路就是加法电路加上一个负数
• ！！乘法在早期是尽可能避免的，因为综合工具支持的不好，但是现在EDA对乘法支持非常好，所以我们可以用这个符号去生成一个乘法电路
• ！！除法和取模目前EDA工具支持的不好，但是如果工艺库里面有除法和取模电路，就可以用符号去做
• 可以利用MATLAB集成了算法的运算，也就是当我们把数学模型写进去之后，MATLAB可以直接生成我们所需要的Verilog代码，这样就更加提高了对操作算法的支持程度
• ！！算术运算符是整个Verilog运算符中间最复杂的，其他的都和我们的数字电路基本电路是对应的

3.2 关系运算符

• 关系运算符也是双目运算符，是对两个操作数的大小进行比较。关系运算符有大于(>)小于(<)、大于等于(>=)和小于等于(<=)几种（还包括了相等运算符中的等于（==）和全等于（===））
• 关系运算符就是成立输出1，不成立输出0，也就是结果应该是一个1bit的信号
  
• 第四个在电路中间不会遇到这个问题，因为数字电路对于不定态的管理非常严格（产生不定态的两种情况，一种是信号悬空，一种是两个信号驱动同一个信号，这两种情况对于可靠的数字电路来讲是不会出现的）
• Verilog规定任何数和不定值的比较都会是一个不定值

3.3 相等关系运算符

• 相等关系运算符是对两个操作数进行比较，比较的结果有三种:真(1)、假(0)和不定值(x)。Verilog HDL 语言中有四种相等关系运算符等于(==)、不等于(!=)、全等(===)、非等(!==)
• 和关系运算符是一样的东西，只不过它比较的是相等
• Verilog的相等运算符有四种，比较结果有三种“1”，“0”，“X”
  
  （左边表的第一列第一个应该是0）
• 这四种运算符都是双目运算符，要求有两个操作数。并且，这四种相等运算符的优先级别是相同的
• “==”和“!”称为逻辑等式运算符，其结果由两个操作数的值决定，由于操作数中某些位可能是不定值x和高阻态值z，所以结果可能为不定值x
• “===”和“!==”运算符则不同，它是对操作数进行按位比较，两个操作数必须完全一致，其结果才是 1，否则为 0。但是，若两个操作数对应位出现不定值 x 和高阻值 ，则可认为是相同的
• 大部分用的还是”==“，对“===”的理解是为了避免计算产生了不定态一直传播。而且“===”可以做信号长度的比较，当两个信号值相同长度不同时，“==”会输出1，而“===”会输出0,但是为什么经常用的是“==”，这是因为在电路设计的时候是不允许不同位宽的信号进行比较的。第二个是在可靠的设计中间是不允许不定值和高阻进行比较的

3.4 逻辑运算符

• 逻辑运算符有三种，分别是逻辑与运算符(&&)、逻辑或运算符(||)、逻辑非运算符(!)其中逻辑与和逻辑或是双目运算符，逻辑非为单目运算符
• 逻辑运算符其实也表征的是一个“1”或者“0”的概念，如果是“0”表征的是逻辑非（0电平），如果是非零就是逻辑真（高电平）
  
• ！关系运算符和比较运算符代表数字电路中的数字比较器（数字比较器可以表示不等或者相等）
• 逻辑运算符非对应的电路如下
  
• 需注意的是，若操作数中存在不定态 x，则逻辑运算的结果也是不定态，例如：a 的初值为4’b1100，b的初值为4‘b01x0，则!a=0，!b=x，a&&b=x，alb=x

3.5 按位运算符

• 按位取反（~），按位与（&），按位或（|），按位异或（^），按位同或（^~）

3.6 归约运算符（缩位运算符）

• 归约运算符按位进行逻辑运算，属于单目运算符。由于这一类运算符操作的结果是产生1位逻辑值，因而被形象地称为缩位运算符。
• 归约运算符包括与（&），或（|），异或（^）以及相应的非操作~&、~|、~^、^~
• 归约运算符就是为了解决一个信号里面的一串信号中间的运算
  

3.7 移位操作运算符

• 移位运算符有两种:左移位运算符(<<)右移位运算符(>>)
• 运算过程是将边(右边)的操作数向左(右)移，所移动的位数由右边的操作数来决定，然后用0来填补移出的空位
• 思考：为什么只有两个，而没有C语言当中那么多循环移等操作
  
• 这个操作符用的不多，为什么等下面来讲

3.8 条件运算符

• 条件运算符是 Verilog HDL 里唯一的三目运算符，它根据条件表达式的值来选择执行达式，其表达形式为:
  
• 条件表达式的计算结果有真(1)、假(0)和不定态(x)三种。当条件表达式的结果为真时执行表达式1，当条件表达式的结果为假时，执行表达式 2
• 如果条件表达式的结果为不定态 ，则模拟器将按位对表达式1的值与表达式2的值进行比较，位与位的比较按表 2.3-7 的规则产生每个结果位，从而构成条件表达式的结果值
  
• 条件运算符举例：
  
• 若该数据选择器的sel端为不定态x，则out 由in1和i2按位运算的结果得出。若in1=4’b0011，in2=4’b0101，则按照上述真值表得出 out=4’b0xx1。

3.9 连接和复制运算符

• ！！前面说移位运算符是不重要的一个运算符，因为连接和复制运算符能够得到更好的结果
• Verilog HDL语言中还有两个特殊的运算符:连接运算符({})和复制运算符({{}})
• 连接运算符是把位于大括号({})中的两个或两个以上信号或数值用逗号(，)分隔的小表达式按位连接在一起，最后用大括号括起来表示一个整体信号，形成一个大的表达式。
• 重复运算符({{}})将一个表达式放入双重花括号中，复制因子放在第一层括号中。它为复制一个常量或变量提供了一种简便方法
• 首先明确一点，这个操作没有对应的电路，只是重新定义
  

4. 模块

4.1 模块的基本概念

• 模块(module)是 Verilog HDL语言的基本单元
• 代表一个最基本的功能模块，语法中代表一段程序，电路中每个模块代表一个电路
  
• 一个模块主要包括模块的开始与结束、模块端口定义、模块数据类型说明和模块逻辑功能描述几个基本部分
• 例：上升沿D触发器的Verilog描述：
  
• 例：上升沿D触发器的硬件：
  

4.2 端口

4.2.1 端口的定义

• 端口是模块与外界或其它模块沟通的信号线。模块的端口可以是输入端口(input)、输出端口(output)或双向端口(inout)。
• 缺省状态下，端口类型都将默认为 wire 类型

4.2.2 模块引用时端口的对应方式

• 在引用模块时其端口可以用如下两种方法连接
  （1）在引用时，严格按照模块定义的端口顺序来连接，不用标明源模块定义时规定的端口名。
  
  （2）在引用时用“”标明源模块定义时规定的端口名。