南京观海微电子----Verilog基础(一)——数据类型、运算符

1. 数据类型

1.1 常量

整数:整数可以用二进制b或B,八进制o或O,十进制d或D,十六进制h或H表示,例如,8’b00001111表示8位位宽的二进制整数,4’ha表示4位位宽的十六进制整数。

XZ:X代表不定值,z代表高阻值,例如,5’b00x11,第三位不定值,3’b00z表示最低位为高阻值。

下划线:在位数过长时可以用来分割位数,提高程序可读性,如8’b0000_1111

1.2 参数

参数 parameter:parameter可以用标识符定义常量,运用时只使用标识符即可,提高代码可读性及维护性,如定义parameterwidth = 8 ; 定义寄存器reg[width-1:0] a; 即定义了8位宽度的寄存器。

参数的传递:在一个模块中如果有定义参数,在其他模块调用此模块时可以传递参数,并可以修改参数,如下所示,在module后用#()表示。

1.3 传参示例

例如模块定义如下,该ROM模块有两个输入参数,其中addr变量为15位位宽,data变量为8位位宽:

module ROM

#(

    parameter depth=15,

    parameter width = 8

)

(

    input [depth-1:0] addr,

    input[width-1:0] data,

    output result

) ;

endmodule

调用该ROM模块时,可以在调用时修改传参来修改参数。如下代码,在调用ROM模块时,将depth和width变量的位宽分布修改成了32位位宽和16位位宽。

module top() ;

wire [31:0] addr ;

wire [15:0] data ;

wire result ;

ROM

#(

    .depth(32),

    .width(16)

)

ROM1

(

    .addr(addr) ,

    .data(data) ,

    .result(result)

) ;

endmodule

Parameter可以用于模块间的参数传递,而localparam仅用于本模块内使用,不能用于参数传递。Localparam多用于状态机状态的定义。

1.4 变量

变量是指程序运行时可以改变其值的量,下面主要介绍几个常用了变量类型。

1.4.1 Wire

Wire 类型变量,也叫网络类型变量,用于结构实体之间的物理连接,如门与门之间,不能储存值,用连续赋值语句assign赋值,定义为wire[n-1:0] a ;其中n 代表位宽,如定义wire a ; assign a = b ;是将b的结点连接到连线a上。如下图所示,两个实体之间的连线即是wire类型变量。

1.4.2 Reg

Reg类型变量,也称为寄存器变量,可用来储存值,必须在always语句里使用。其定义为reg [n-1:0] a ;表示n位位宽的寄存器,如reg [7:0] a;表示定义8位位宽的寄存器a。

如下所示定义了寄存器q

module TOP

(

    input d,

    input clk,

    output reg q

) ;

always @(posedge clk)

begin

    q <= d ;

end

endmodule

生成的电路为时序逻辑,下图为其结构,为D触发器。

也可以生成组合逻辑,如下面代码所示为一个数据选择器,敏感信号没有时钟

module TOP

(

    input a,

    input b,

    input c,

    input d,

    input[1:0] sel,

    output reg Mux

) ;

always @(sel or a or b or c or d)

begin

    case(sel)

    2'b00 : Mux = a ;

    2'b01 : Mux = b ;

    2'b10 : Mux = c ;

    2'b11 : Mux = d ;

    endcase

end

endmodule

最终生成电路为组合逻辑。

图片

1.4.3 Memory

可以用memory类型来定义RAM、ROM等存储器,其结构为reg [n-1:0]存储器名[m-1:0],意义为m个n位宽度的寄存器。例如,reg [7:0] ram [255:0]表示定义了256个8位寄存器,256也即是存储器的深度,8为数据宽度。

2. 运算符

运算符可分为以下几类:

(1)算术运算符(+,-,*,/,%)

(2)赋值运算符(=,<=)

(3)关系运算符(>,<,>=,<=,==,!=)

(4)逻辑运算符(&&,||,!)

(5)条件运算符(?:)

(6)位运算符(~,|,^,&,^~)

(7)移位运算符(<<,>>)

(8)拼接运算符({ })

大部分运算符与C/C++语言中定义的运算符用法基本上一致,这里主要介绍几种与C/C++语言中差异较大的运算符。

2.1 赋值运算符

“=”为阻塞赋值,”<=”为非阻塞赋值。阻塞赋值为执行完一条赋值语句,再执行下一条,可理解为顺序执行,而且赋值是立即执行;非阻塞赋值可理解为并行执行,不考虑顺序,在always块语句执行完成后,才进行赋值。

2.1.1 阻塞赋值运算符

下面先介绍阻塞赋值,代码如下:

module TOP

(

    input din,

    input clk,

    output reg a,b,c

) ;

always @(posedge clk)

begin

    a = din;

    b = a;

    c = b;

end

endmodule

下面是上面模块对应的仿真代码(用于给上面模块提供时钟、激励信号用于仿真模块功能的正确性):

module SimFile ();

reg din ;

reg clk ;

wire a,b,c ;

initial

begin

    din = 0 ;

    clk = 0 ;

    forever

    begin

        #({$random}%100)      // 随机等待一段时间(0~99ns之间)

        din = ~din ;

    end

end

always #10 clk = ~clk ;

TOP TOP_i

(

    .clk(clk),

    .din(din),

    .a(a),

    .b(b),

    .c(c)

);

clk时钟的周期是20ns,从仿真结果可以看到,在clk的上升沿时,寄存器a的值等于输入din的值,并立即赋给寄存器b,b的值赋给c。

上面编写的阻塞赋值TOP模块在FPGA内部布局成的电路(RTL)如下图所示,由RTL可以明显看出,在每个时钟周期上沿到来时,寄存器a、b、c的值都被统一赋值成了输入din的值。

图片

2.1.2 非阻塞赋值运算符

将上面编写TOP模块的赋值方式改为非阻塞赋值方式,代码如下:

module TOP

(

    input din,

    input clk,

    output reg a,b,c

) ;

always @(posedge clk)

begin

    a <= din;

    b <= a;

    c <= b;

end

endmodule

仿真代码仍然使用2.1.1节的仿真代码提供时钟和激励信号,仿真结果如下:

在每个时钟clk上升沿时,寄存器a的值没有立即赋值给b,b为a原来的值,同样,c为b原来的值。上面编写的非阻塞赋值TOP模块在FPGA内部布局成的电路(RTL)如下图所示。

图片

一般情况下,在时序逻辑电路中使用非阻塞赋值,可避免出现竞争冒险现象。在组合逻辑中使用阻塞赋值,执行赋值语句后立即改变。在assign语句中必须用阻塞赋值。

2.2 位拼接运算符

“{ }”拼接运算符,将多个信号按位拼接,如{a[3:0], b[1:0]},将a的低4位,b的低2位拼接成6位数据。

{n{a[3:0]}}表示将n个a[3:0]拼接,{n{1’b0}}表示n位的0拼接。如{8{1’b0}}表示为8’b0000_0000。

2.3 运算符的优先级

各种运算符的优先级别如下图所示:

图片

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