Verilog HDL基礎(chǔ)之：程序基本結(jié)構(gòu)

Verilog HDL是一種用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的語(yǔ)言。用Verilog HDL描述的電路設(shè)計(jì)就是該電路的Verilog HDL模型。Verilog HDL既是一種行為描述的語(yǔ)言，也是一種結(jié)構(gòu)描述的語(yǔ)言。也就是說(shuō)，既可以用電路的功能描述，也可以用元器件和它們之間的連接來(lái)建立所設(shè)計(jì)電路的Verilog HDL模型。Verilog模型可以是實(shí)際電路的不同級(jí)別的抽象。這些抽象的級(jí)別和它們對(duì)應(yīng)的模型類(lèi)型共有以下5種。

• 系統(tǒng)級(jí)（system）：用高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模塊的外部性能的模型。
• 算法級(jí)（algorithm）：用高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)算法的模型。
• RTL級(jí)（Register Transfer Level）：描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動(dòng)和如何處理這些數(shù)據(jù)的模型。
• 門(mén)級(jí)（gate-level）：描述邏輯門(mén)以及邏輯門(mén)之間的連接的模型。
• 開(kāi)關(guān)級(jí)（switch-level）：描述器件中三極管和儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)以及它們之間連接的模型。

一個(gè)復(fù)雜電路系統(tǒng)的完整Verilog HDL模型是由若干個(gè)Verilog HDL模塊構(gòu)成的，每一個(gè)模塊又可以由若干個(gè)子模塊構(gòu)成。其中有些模塊需要綜合成具體電路，而有些模塊只是與用戶所設(shè)計(jì)的模塊交互的現(xiàn)存電路或激勵(lì)信號(hào)源。利用Verilog HDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)所提供的這種功能就可以構(gòu)造一個(gè)模塊間的清晰層次結(jié)構(gòu)來(lái)描述極其復(fù)雜的大型設(shè)計(jì)，并對(duì)所作設(shè)計(jì)的邏輯電路進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證。

Verilog HDL行為描述語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化和過(guò)程性的語(yǔ)言，其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)非常適合于算法級(jí)和RTL級(jí)的模型設(shè)計(jì)。這種行為描述語(yǔ)言具有以下功能。

• 可描述順序執(zhí)行或并行執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)。
• 用延遲表達(dá)式或事件表達(dá)式來(lái)明確地控制過(guò)程的啟動(dòng)時(shí)間。
• 通過(guò)命名的事件來(lái)觸發(fā)其他過(guò)程里的激活行為或停止行為。
• 提供了條件、if-else、case、循環(huán)程序結(jié)構(gòu)。
• 提供了可帶參數(shù)且非零延續(xù)時(shí)間的任務(wù)（task）程序結(jié)構(gòu)。
• 提供了可定義新的操作符的函數(shù)結(jié)構(gòu)（function）。
• 提供了用于建立表達(dá)式的算術(shù)運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、位運(yùn)算符。
• Verilog HDL語(yǔ)言作為一種結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言也非常適合于門(mén)級(jí)和開(kāi)關(guān)級(jí)的模型設(shè)計(jì)。因其結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)又使它具有以下功能。
  • 提供了完整的一套組合型原語(yǔ)（primitive）；
  • 提供了雙向通路和電阻器件的原語(yǔ)；
  • 可建立MOS器件的電荷分享和電荷衰減動(dòng)態(tài)模型。

Verilog HDL的構(gòu)造性語(yǔ)句可以精確地建立信號(hào)的模型。這是因?yàn)樵赩erilog HDL中，提供了延遲和輸出強(qiáng)度的原語(yǔ)來(lái)建立精確程度很高的信號(hào)模型。信號(hào)值可以有不同的強(qiáng)度，可以通過(guò)設(shè)定寬范圍的模糊值來(lái)降低不確定條件的影響。

Verilog HDL作為一種高級(jí)的硬件描述編程語(yǔ)言，有著類(lèi)似C語(yǔ)言的風(fēng)格。其中if語(yǔ)句、case語(yǔ)句等和C語(yǔ)言中的對(duì)應(yīng)語(yǔ)句十分相似。如果讀者已經(jīng)掌握C語(yǔ)言編程的基礎(chǔ)，那么學(xué)習(xí)Verilog HDL并不困難，只要對(duì)Verilog HDL某些語(yǔ)句的特殊方面著重理解，并加強(qiáng)上機(jī)練習(xí)就能很好地掌握它，利用它的強(qiáng)大功能來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路。下面將介紹Verilog HDL中的基本結(jié)構(gòu)和語(yǔ)法。

Verilog HDL程序入門(mén)

首先來(lái)看幾個(gè)Verilog HDL程序，然后從中分析Verilog HDL程序的特性。

例1：加法器。

module adder （ count,sum,a,b,cin ）; //加法器模塊端口聲明

input ［2:0］ a,b; //端口說(shuō)明

input cin;

output count;

output ［2:0］ sum;

assign {count,sum} = a + b + cin; //加法器算法實(shí)現(xiàn)

endmodule

這個(gè)例子通過(guò)連續(xù)賦值語(yǔ)句描述了一個(gè)名為adder的三位加法器可以根據(jù)兩個(gè)三比特?cái)?shù)a、b和進(jìn)位（cin）計(jì)算出和（sum）和進(jìn)位（count）。從例子中可以看出整個(gè)Verilog HDL程序是嵌套在module和endmodule聲明語(yǔ)句里的。

例2：比較器。

module compare （ equal,a,b ）; //比較器模塊端口聲明

output equal; //輸出信號(hào)equal

input ［1:0］ a,b; //輸入信號(hào)a、b

assign equal=（a==b）？1：0; //如果a、b 兩個(gè)輸入信號(hào)相等,輸出為1,否則為0

endmodule

這個(gè)程序通過(guò)連續(xù)賦值語(yǔ)句描述了一個(gè)名為compare的比較器。對(duì)兩比特?cái)?shù)a、b進(jìn)行比較，如a與b相等，則輸出equal為高電平，否則為低電平。在這個(gè)程序中，“/*........*/”和“//.........”表示注釋部分，注釋只是為了方便程序員理解程序，對(duì)編譯是不起作用的。

例3：使用原語(yǔ)的三態(tài)驅(qū)動(dòng)器。

module trist2（out,in,enable）; //三態(tài)啟動(dòng)器模塊端口聲明

output out; //端口說(shuō)明

input in, enable;

bufif1 mybuf（out,in,enable）; //實(shí)例化宏模塊bufif1

endmodule

這個(gè)例子描述了一個(gè)名為trist2的三態(tài)驅(qū)動(dòng)器。程序通過(guò)調(diào)用一個(gè)在Verilog語(yǔ)言庫(kù)中現(xiàn)存的三態(tài)驅(qū)動(dòng)器實(shí)例元件bufif1來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。

例4：自行設(shè)計(jì)的三態(tài)驅(qū)動(dòng)器。

module trist1（out,in,enable）; //三態(tài)啟動(dòng)器模塊端口聲明

output out; //端口說(shuō)明

input in, enable;

mytri tri_inst（out,in,enable）;//實(shí)例化由mytri模塊定義的實(shí)例元件tri_inst

endmodule

module mytri（out,in,enable）; //三態(tài)啟動(dòng)器模塊端口聲明

output out; //端口說(shuō)明

input in, enable;

assign out = enable? in : bz; //三態(tài)啟動(dòng)器算法描述

endmodule

這個(gè)例子通過(guò)另一種方法描述了一個(gè)三態(tài)門(mén)。在這個(gè)例子中存在著兩個(gè)模塊。模塊trist1調(diào)用由模塊mytri定義的實(shí)例元件tri_inst。模塊trist1是頂層模塊。模塊mytri則被稱(chēng)為子模塊。

通過(guò)上面的例子可以看到。

• Verilog HDL程序是由模塊構(gòu)成的。每個(gè)模塊的內(nèi)容都是嵌在module和endmodule兩個(gè)語(yǔ)句之間。每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)特定的功能。模塊是可以進(jìn)行層次嵌套的。正因?yàn)槿绱?才可以將大型的數(shù)字電路設(shè)計(jì)分割成不同的小模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能,最后通過(guò)頂層模塊調(diào)用子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整體功能。
• 每個(gè)模塊要進(jìn)行端口定義,并說(shuō)明輸入輸出口,然后對(duì)模塊的功能進(jìn)行行為邏輯描述。
• Verilog HDL程序的書(shū)寫(xiě)格式自由,一行可以寫(xiě)幾個(gè)語(yǔ)句,一個(gè)語(yǔ)句也可以分寫(xiě)多行。
• 除了endmodule語(yǔ)句外,每個(gè)語(yǔ)句和數(shù)據(jù)定義的最后必須有分號(hào)。
• 可以用“/*.....*/”和“//.......”對(duì)Verilog HDL程序的任何部分作注釋。一個(gè)好的、有使用價(jià)值的源程序都應(yīng)當(dāng)加上必要的注釋,以增強(qiáng)程序的可讀性和可維護(hù)性。

模塊的框架

模塊的內(nèi)容包括I/O聲明、I/O說(shuō)明、內(nèi)部信號(hào)聲明和功能定義。

1．I/O聲明

模塊的端口聲明了模塊的輸入輸出端口，其格式如下：

Module 模塊名（端口1，端口2，端口3，端口4, …）;

2．I/O說(shuō)明

I/O說(shuō)明的格式如下：

輸入口：input 端口名1，端口名2，…，端口名i； //（共有i個(gè)輸入口）

輸出口：output 端口名1，端口名2，…，端口名j； //（共有j個(gè)輸出口）

I/O說(shuō)明也可以寫(xiě)在端口聲明語(yǔ)句里，其格式如下：

module module_name（input port1,input port2,…,output port1,output port2… ）

3．內(nèi)部信號(hào)聲明

在模塊內(nèi)用到的和與端口有關(guān)的wire和reg變量的聲明，如下所示：

reg ［width-1 : 0］ R變量1，R變量2 …；

wire ［width-1 : 0］ W變量1，W變量2 …；

4．功能定義

模塊中最重要的部分是邏輯功能定義部分，有3種方法可在模塊中產(chǎn)生邏輯。

（1）用“assign”聲明語(yǔ)句。

assign a = b c;

這種方法的句法很簡(jiǎn)單，只需寫(xiě)一個(gè)“assign”，后面再加一個(gè)方程式即可。例子中的方程式描述了一個(gè)有兩個(gè)輸入的與門(mén)。

（2）用實(shí)例元件。

and and_inst（ q, a, b ）;

采用實(shí)例元件的方法在電路圖輸入方式下，調(diào)入庫(kù)元件。鍵入元件的名字和相連的引腳即可，表示在設(shè)計(jì)中用到一個(gè)跟與門(mén)（and）一樣的名為and_inst的與門(mén)，其輸入端為a、b，輸出為q。要求每個(gè)實(shí)例元件的名字必須是惟一的，以避免與其他調(diào)用與門(mén)（and）的實(shí)例混淆。

（3）用“always”塊。

always @（posedge clk or posedge clr） begin //時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，異步清零

if（clr） q = 0; //清零

else if（en） q = d; //使能賦值

end

采用“assign”語(yǔ)句是描述組合邏輯最常用的方法之一，而“always”塊既可用于描述組合邏輯，也可描述時(shí)序邏輯。上面的例子用“always”塊生成了一個(gè)帶有異步清除端的D觸發(fā)器。

“always”塊可用很多種描述手段來(lái)表達(dá)邏輯，例如上例中就用了“if...else”語(yǔ)句來(lái)表達(dá)邏輯關(guān)系。如按一定的風(fēng)格來(lái)編寫(xiě)“always”塊，可以通過(guò)綜合工具把源代碼自動(dòng)綜合成用門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)表示的組合或時(shí)序邏輯電路。需要注意的是，如果用Verilog模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，首先應(yīng)該清楚哪些是同時(shí)發(fā)生的，哪些是順序發(fā)生的。

上面3個(gè)例子分別采用了“assign”語(yǔ)句、實(shí)例元件和“always”塊。這3個(gè)例子描述的邏輯功能是同時(shí)執(zhí)行的。也就是說(shuō)，如果把這3項(xiàng)寫(xiě)到一個(gè)Verilog模塊文件中去，它們的次序不會(huì)影響邏輯實(shí)現(xiàn)的功能。這3項(xiàng)是同時(shí)執(zhí)行的，也就是并發(fā)的。

然而，在“always”模塊內(nèi)，邏輯是按照指定的順序執(zhí)行的。“always”塊中的語(yǔ)句稱(chēng)為“順序語(yǔ)句”，因?yàn)樗鼈兪琼樞驁?zhí)行的。請(qǐng)注意，兩個(gè)或更多的“always”模塊也是同時(shí)執(zhí)行的，但是模塊內(nèi)部的語(yǔ)句是順序執(zhí)行的。

看一下“always”內(nèi)的語(yǔ)句，就會(huì)明白它是如何實(shí)現(xiàn)功能的。“if…else… if”必須順序執(zhí)行，否則其功能就沒(méi)有任何意義。如果else語(yǔ)句在if語(yǔ)句之前執(zhí)行，功能就會(huì)不符合要求。為了能實(shí)現(xiàn)上述描述的功能，“always”模塊內(nèi)部的語(yǔ)句將按照書(shū)寫(xiě)的順序執(zhí)行。