最近需要从原型验证切到EDA去做做，于是先温习一下Verilog。

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在开始之前，先来一个Verilog设计。

1.1 第一个verilog设计

4 位宽 10 进制计数器：

module counter10(
        //端口定义
        input                   rstn,   //复位端，低有效
        input                   clk,    //输入时钟
        output [3:0]    cnt,    //计数输出
        output                  cout);  //溢出位

        reg [3:0]               cnt_temp ;      //计数器寄存器
        always@(posedge clk or negedge rstn) begin
                if(! rstn)begin         //复位时，计时归0
                        cnt_temp        <= 4'b0 ;
                end
                else if (cnt_temp==4'd9) begin  //计时10个cycle时，计时归0
                        cnt_temp        <=4'b000;
                end
                else begin                                      //计时加1
                        cnt_temp        <= cnt_temp + 1'b1 ; 
                end
        end

        assign  cout = (cnt_temp==4'd9) ;       //输出周期位
        assign  cnt  = cnt_temp ;                       //输出实时计时器

endmodule

1.2 Verilog 简介

不展开，占用篇幅了。

感兴趣—>Verilog 简介

1.3 Verilog环境搭建

因为只是想学习一下Verilog的基本语法，因此先不涉及。

感兴趣—>Verilog环境搭建

1.4 Verilog 设计方法

设计方法

核心点：自顶向下

于是就诞生了单元模块和集成

设计流程

2.1 Verilog 基础语法

格式

• 区分大小写
• 格式自由，可以在一行内编写，也可跨多行编写。
• 每个语句必须以分号为结束符。
• 空白符（换行、制表、空格）都没有实际的意义，在编译阶段可忽略。

关键点还是要注意分行，提升代码的可读性。和软件一样的。

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wire [1:0]  results ;assign results = (a == 1'b0) ? 2'b01 ： (b==1'b0) ? 2'b10 ： 2'b11 ;

wire [1:0]  results ;
assign      results = (a == 1'b0) ? 2'b01 ：
            (b==1'b0) ? 2'b10 ：
                2'b11 ;

很明显下面的好看些。

注释

• 用 // 进行单行注释：
• 用 /* 与 / 进行跨行注释用 / 与 */ 进行跨行注释

标识符与关键字

• 标识符的第一个字符必须是字母或者下划线，不能以数字或者美元符开始。

• 标识符是区分大小写的。

• 关键字是 Verilog 中预留的用于定义语言结构的特殊标识符。

• Verilog 中关键字全部为小写。

reg [3:0] counter ; //reg 为关键字， counter 为标识符
input clk; //input 为关键字，clk 为标识符
input CLK; //CLK 与 clk是 2 个不同的标识符

2.2 Verilog 数值表示

数值种类

四种基本的值 = 硬件电路中的电平逻辑

整数数值表示方法

数字声明时，合法的基数格式有 4 中：

• 十进制('d 或 'D)，
• 十六进制('h 或 'H)，
• 二进制（'b 或 'B），
• 八进制（'o 或 'O）。

数值可指明位宽，也可不指明位宽。

4'b1011         // 4bit 数值
32'h3022_c0de   // 32bit 的数值

_ 是为了增强代码的可读性。

不指明位宽:

一般直接写数字时，默认为十进制表示，例如下面的 3 种写法是等效的：

counter = 'd100 ; //一般会根据编译器自动分频位宽，常见的为32bit
counter = 100 ;
counter = 32'h64 ;

负数表示

-6'd15  
-15

• -15 在 5 位二进制中的形式为 5’b10001,
• 在 6 位二进制中的形式为 6’b11_0001。

需要注意的是，减号放在基数和数字之间是非法的，例如下面的表示方法是错误的：

4'd-2 //非法说明

实数表示方法

实数表示方法主要有两种方式：

十进制：

30.123
6.0
3.0
0.001

科学计数法：

1.2e4         //大小为12000
1_0001e4      //大小为100010000
1E-3          //大小为0.001

字符串表示方法

字符串是由双引号包起来的字符队列。

字符串不能多行书写，即字符串中不能包含回车符。

reg [0: 14*8-1]       str ;
initial begin
    str = "www.runoob.com";
end

2.3 Verilog 数据类型

• 线网（wire）
• 寄存器（reg）

线网（wire）

wire 类型表示硬件单元之间的物理连线，由其连接的器件输出端连续驱动。如果没有驱动元件连接到 wire 型变量，缺省值一般为 “Z”。（高阻态）举例如下：

wire   interrupt ;
wire   flag1, flag2 ;
wire   gnd = 1'b0 ;

线网型还有其他数据类型，包括 wand，wor，wri，triand，trior，trireg 等，不常用。

寄存器（reg）

寄存器（reg）用来表示存储单元，它会保持数据原有的值，直到被改写。

reg    clk_temp;
reg    flag1, flag2 ;

• 例如在 always 块中，寄存器可能被综合成边沿触发器，
• 在组合逻辑中可能被综合成 wire 型变量。
• 寄存器不需要驱动源，也不一定需要时钟信号。
• 在仿真时，寄存器的值可在任意时刻通过赋值操作进行改写。例如：

这就是为什么逻辑设计，仿真的重要性。

reg rstn ;
initial begin
    rstn = 1'b0 ;
    #100 ;
    rstn = 1'b1 ;
end

向量

当位宽大于 1 时，wire 或 reg 即可声明为向量的形式。例如：

reg [3:0]      counter ;    //声明4bit位宽的寄存器counter
wire [32-1:0]  gpio_data;   //声明32bit位宽的线型变量gpio_data
wire [8:2]     addr ;       //声明7bit位宽的线型变量addr，位宽范围为8:2
reg [0:31]     data ;       //声明32bit位宽的寄存器变量data, 最高有效位为0

可以指定某一位或若干相邻位

wire [9:0]     data_low = data[0:9] ;
addr_temp[3:2] = addr[8:7] + 1'b1 ;

Verilog 支持可变的向量域选择：

reg [31:0]     data1 ;
reg [7:0]      byte1 [3:0];
integer j ;
always@* begin
    for (j=0; j<=3;j=j+1) begin
        byte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8]; 
        //把data1[7:0]…data1[31:24]依次赋值给byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]
    end
end

Verillog 还支持指定 bit 位后固定位宽的向量域选择访问。

//下面 2 种赋值是等效的
A = data1[31-: 8] ;
A = data1[31:24] ;

//下面 2 种赋值是等效的
B = data1[0+ : 8] ;
B = data1[0:7] ;

对信号重新进行组合成新的向量时，需要借助大括号

wire [31:0]    temp1, temp2 ;
assign temp1 = {byte1[0][7:0], data1[31:8]};  //数据拼接
assign temp2 = {32{1'b0}};  //赋值32位的数值0

整数，实数，时间寄存器变量

整数，实数，时间等数据类型实际也属于寄存器类型。

整数（integer）

整数类型用关键字 integer 来声明。声明时不用指明位宽，位宽和编译器有关，一般为32 bit。

reg 型变量为无符号数，而 integer 型变量为有符号数。

reg [31:0]      data1 ;
reg [3:0]       byte1 [7:0]; //数组变量，后续介绍
integer j ;  //整型变量，用来辅助生成数字电路
always@* begin
    for (j=0; j<=3;j=j+1) begin
        byte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8]; 
        //把data1[7:0]…data1[31:24]依次赋值给byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]
        end
end

integer 信号 j 作为辅助信号，将 data1 的数据依次赋值给数组 byte1。综合后实际电路里并没有 j 这个信号，j 只是辅助生成相应的硬件电路。

实数（real）

实数用关键字 real 来声明，可用十进制或科学计数法来表示。

real        data1 ;
integer     temp ;
initial begin
    data1 = 2e3 ;
    data1 = 3.75 ;
end
 
initial begin
    temp = data1 ; //temp 值的大小为3
end

时间（time）

Verilog 使用特殊的时间寄存器 time 型变量，对仿真时间进行保存。

其宽度一般为 64 bit，通过调用系统函数 $time 获取当前仿真时间。

time       current_time ;
initial begin
       #100 ;
       current_time = $time ; //current_time 的大小为 100
end

数组

在 Verilog 中允许声明 reg, wire, integer, time, real 及其向量类型的数组。

数组维数没有限制。

线网数组也可以用于连接实例模块的端口。

数组中的每个元素都可以作为一个标量或者向量，以同样的方式来使用，形如：<数组名>[<下标>]。

对于多维数组来讲，用户需要说明其每一维的索引。

例如：

integer          flag [7:0] ; //8个整数组成的数组
reg  [3:0]       counter [3:0] ; //由4个4bit计数器组成的数组
wire [7:0]       addr_bus [3:0] ; //由4个8bit wire型变量组成的数组
wire             data_bit[7:0][5:0] ; //声明1bit wire型变量的二维数组
reg [31:0]       data_4d[11:0][3:0][3:0][255:0] ; //声明4维的32bit数据变量数组

下面显示了对数组元素的赋值操作：

flag [1]   = 32'd0 ; //将flag数组中第二个元素赋值为32bit的0值
counter[3] = 4'hF ;  //将数组counter中第4个元素的值赋值为4bit 十六进制数F，等效于counter[3][3:0] = 4'hF，即可省略宽度; 
assign addr_bus[0]        = 8'b0 ; //将数组addr_bus中第一个元素的值赋值为0
assign data_bit[0][1]     = 1'b1;  //将数组data_bit的第1行第2列的元素赋值为1，这里不能省略第二个访问标号，即 assign data_bit[0] = 1'b1; 是非法的。
data_4d[0][0][0][0][15:0] = 15'd3 ;  //将数组data_4d中标号为[0][0][0][0]的寄存器单元的15~0bit赋值为3

虽然数组与向量的访问方式在一定程度上类似，但不要将向量和数组混淆。

向量是一个单独的元件，位宽为 n；

数组由多个元件组成，其中每个元件的位宽为 n 或 1。

它们在结构的定义上就有所区别。

存储器

存储器变量就是一种寄存器数组，可用来描述 RAM 或 ROM 的行为。例如：

reg               membit[0:255] ;  //256bit的1bit存储器
reg  [7:0]        mem[0:1023] ;    //1Kbyte存储器，位宽8bit
mem[511] = 8'b0 ;                  //令第512个8bit的存储单元值为0

参数

参数用来表示常量，用关键字 parameter 声明，只能赋值一次。例如：

parameter      data_width = 10'd32 ;
parameter      i=1, j=2, k=3 ;
parameter      mem_size = data_width * 10 ;

但是，通过实例化的方式，可以更改参数在模块中的值。

局部参数用 localparam 来声明，其作用和用法与 parameter 相同，区别在于它的值不能被改变。所以当参数只在本模块中调用时，可用 localparam 来说明。

字符串

字符串保存在 reg 类型的变量中，每个字符占用一个字节（8bit）。因此寄存器变量的宽度应该足够大，以保证不会溢出。

• 字符串不能多行书写，即字符串中不能包含回车符。
• 如果寄存器变量的宽度大于字符串的大小，则使用 0 来填充左边的空余位；
• 如果寄存器变量的宽度小于字符串大小，则会截去字符串左边多余的数据。

例如，为存储字符串 “run.runoob.com”, 需要 14*8bit 的存储单元：

reg [0: 14*8-1]       str ;
initial begin
    str = "run.runoob.com"; 
end

有一些特殊字符在显示字符串中有特殊意义，例如换行符，制表符等。如果需要在字符串中显示这些特殊的字符，则需要在前面加前缀转义字符 \ 。例如下表所示：

其实，在 SystemVerilog（主要用于 Verilog 仿真的编程语言）语言中，已经可以直接用关键字 string 来表示字符串变量类型。

本来可以直接学习SystemVerilog，但是有位前辈给我说建议先学学Verilog，以后对比学习更有好处。

2.4 Verilog 表达式

操作符，和很多编码语言类似，这里只详细罗列两种独特的：按位与归约。

表达式

操作数

操作符

算术操作符

关系操作符

等价操作符

逻辑操作符

按位操作符

• 按位操作符包括：取反（_{），与（&），或（|），异或（^），同或（}^）。

• 按位操作符对 2 个操作数的每 1bit 数据进行按位操作。

• 如果 2 个操作数位宽不相等，则用 0 向左扩展补充较短的操作数。

• 取反操作符只有一个操作数，它对操作数的每 1bit 数据进行取反操作。

---

A = 4'b0101 ;
B = 4'b1001 ;
C = 4'bx010 ;
    
~A        //4'b1010
A & B     //4'b0001
A | B     //4'b1101
A^B       //4'b1100
A ~^ B    //4'b0011
B | C     //4'b1011
B&C       //4'bx000

归约操作符

归约操作符包括：归约与（&），归约与非（_{&），归约或（|），归约或非（}|），归约异或（^{），归约同或（~}）。

归约操作符只有一个操作数，它对这个向量操作数逐位进行操作，最终产生一个 1bit 结果。

逻辑操作符、按位操作符和归约操作符都使用相同的符号表示，因此有时候容易混淆。区分这些操作符的关键是分清操作数的数目，和计算结果的规则。

A = 4'b1010 ;
&A ;      //结果为 1 & 0 & 1 & 0 = 1'b0，可用来判断变量A是否全1
~|A ;     //结果为 ~(1 | 0 | 1 | 0) = 1'b0, 可用来判断变量A是否为全0
^A ;      //结果为 1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 = 1'b0

移位操作符

拼接操作符

拼接操作符用大括号 {，} 来表示，用于将多个操作数（向量）拼接成新的操作数（向量），信号间用逗号隔开。

拼接符操作数必须指定位宽，常数的话也需要指定位宽。例如：

A = 4'b1010 ;
B = 1'b1 ;
Y1 = {B, A[3:2], A[0], 4'h3 };  //结果为Y1='b1100_0011
Y2 = {4{B}, 3'd4};  //结果为 Y2=7'b111_1100
Y3 = {32{1'b0}};  //结果为 Y3=32h0，常用作寄存器初始化时匹配位宽的赋初值

条件操作符

2.5 Verilog 编译指令

以反引号 ` 开始的某些标识符是 Verilog 系统编译指令。

编译指令为 Verilog 代码的撰写、编译、调试等提供了极大的便利。

下面介绍下完整的 8 种编译指令，其中前 4 种使用频率较高。

define, undef

在编译阶段，`define 用于文本替换，类似于 C 语言中的 #define。

一旦 `define 指令被编译，其在整个编译过程中都会有效。例如，在一个文件中定义：

`define    DATA_DW     32

则在另一个文件中也可以直接使用 DATA_DW。

`define    S     $stop;   
//用`S来代替系统函数$stop; (包括分号)
`define    WORD_DEF   reg [31:0]       
//可以用`WORD_DEF来声明32bit寄存器变量

`undef 用来取消之前的宏定义，例如：

`define    DATA_DW     32
……
reg  [DATA_DW-1:0]    data_in   ;
……
`undef DATA_DW

`ifdef, `ifndef, `elsif, `else, `endif

这些属于条件编译指令。例如下面的例子中，如果定义了 MCU51，则使用第一种参数说明；如果没有定义 MCU、定义了 WINDOW，则使用第二种参数说明；如果 2 个都没有定义，则使用第三种参数说明。

`ifdef       MCU51
    parameter DATA_DW = 8   ;
`elsif       WINDOW
    parameter DATA_DW = 64  ;
`else
    parameter DATA_DW = 32  ;
`endif

elsif, else 编译指令对于 ifdef 指令是可选的，即可以只有 ifdef 和 `endif 组成一次条件编译指令块。

当然，也可用 `ifndef 来设置条件编译，表示如果没有相关的宏定义，则执行相关语句。

下面例子中，如果定义了 WINDOW，则使用第二种参数说明。如果没有定义 WINDOW，则使用第一种参数说明。

`ifndef     WINDOW
    parameter DATA_DW = 32 ;  
 `else
    parameter DATA_DW = 64 ;
 `endif

`include

使用 `include 可以在编译时将一个 Verilog 文件内嵌到另一个 Verilog 文件中，作用类似于 C 语言中的 #include 结构。

该指令通常用于将全局或公用的头文件包含在设计文件里。

文件路径既可以使用相对路径，也可以使用绝对路径。

`include         "../../param.v"
`include         "header.v"

`timescale

在 Verilog 模型中，时延有具体的单位时间表述，并用 `timescale 编译指令将时间单位与实际时间相关联。

该指令用于定义时延、仿真的单位和精度，格式为：

`timescale      time_unit / time_precision

time_unit 表示时间单位，time_precision 表示时间精度，它们均是由数字以及单位 s（秒），ms（毫秒），us（微妙），ns（纳秒），ps（皮秒）和 fs（飞秒）组成。时间精度可以和时间单位一样，但是时间精度大小不能超过时间单位大小，例如下面例子中，输出端 Z 会延迟 5.21ns 输出 A&B 的结果。

`timescale 1ns/100ps    //时间单位为1ns，精度为100ps，合法
//`timescale 100ps/1ns  //不合法
module AndFunc(Z, A, B);
    output Z;
    input A, B ;
    assign #5.207 Z = A & B
endmodule

在编译过程中，timescale 指令会影响后面所有模块中的时延值，直至遇到另一个 timescale 指令或 `resetall 指令。

由于在 Verilog 中没有默认的 timescale，如果没有指定 timescale，Verilog 模块就有会继承前面编译模块的 `timescale 参数。有可能导致设计出错。

如果一个设计中的多个模块都带有 `timescale 时，模拟器总是定位在所有模块的最小时延精度上，并且所有时延都相应地换算为最小时延精度，时延单位并不受影响。例如:

`timescale 10ns/1ns      
module test;
    reg        A, B ;
    wire       OUTZ ;
 
    initial begin
        A     = 1;
        B     = 0;
        # 1.28    B = 1;
        # 3.1     A = 0;
    end
 
    AndFunc        u_and(OUTZ, A, B) ;
endmodule

• 在模块 AndFunc 中，5.207 对应 5.21ns。

• 在模块 test 中，1.28 对应 13ns，3.1 对应 31ns。

但是，当仿真 test 时，由于 AndFunc 中的最小精度为 100ps，因此 test 中的时延精度将进行重新调整。

13ns 将对应 130100ps，31ns 将对应 310100ps。仿真时，时延精度也会使用 100ps。仿真时间单位大小没有影响。

如果有并行子模块，子模块间的 `timescale 并不会相互影响。

例如在模块 test 中再例化一个子模块 OrFunc。仿真 test 时，OrFunc 中的 #5.207 延时依然对应 52ns。

//子模块：
`timescale 10ns/1ns      //时间单位为1ns，精度为100ps，合法
module OrFunc(Z, A, B);
    output Z;
    input A, B ;
    assign #5.207 Z = A | B
endmodule
 
//顶层模块：
`timescale 10ns/1ns      
module test;
    reg        A, B ;
    wire       OUTZ ;
    wire       OUTX ;
 
    initial begin
        A     = 1;
        B     = 0;
        # 1.28    B = 1;
        # 3.1     A = 0;
    end
 
    AndFunc        u_and(OUTZ, A, B) ;
    OrFunc         u_and(OUTX, A, B) ;
 
endmodule

此例中，仿真 test 时，OrFunc 中的 #5.207 延时依然对应 52ns。

`timescale 的时间精度设置是会影响仿真时间的。时间精度越小，仿真时占用内存越多，实际使用的仿真时间就越长。

所以如果没有必要，应尽量将时间精度设置的大一些。

`default_nettype

该指令用于为隐式的线网变量指定为线网类型，即将没有被声明的连线定义为线网类型。

`default_nettype wand 

该实例定义的缺省的线网为线与类型。因此，如果在此指令后面的任何模块中的连线没有说明，那么该线网被假定为线与类型。

`default_nettype none

该实例定义后，将不再自动产生 wire 型变量。

例如下面第一种写法编译时不会报 Error，第二种写法编译将不会通过。

//Z1 无定义就使用，系统默认Z1为wire型变量，有 Warning 无 Error
module test_and(
        input      A,
        input      B,
        output     Z);
    assign Z1 = A & B ;  
endmodule

//Z1无定义就使用，由于编译指令的存在，系统会报Error，从而检查出书写错误
`default_nettype none
module test_and(
        input      A,
        input      B,
        output     Z);
    assign Z1 = A & B ;  
endmodule

`resetall

该编译器指令将所有的编译指令重新设置为缺省值。

`resetall 可以使得缺省连线类型为线网类型。

当 resetall 加到模块最后时，可以将当前的 timescale 取消防止进一步传递，只保证当前的 timescale 在局部有效，避免 timescale 的错误继承。

celldefine, endcelldefine

这两个程序指令用于将模块标记为单元模块，他们包含模块的定义。

例如一些与、或、非门，一些 PLL 单元，PAD 模型，以及一些 Analog IP 等。

`celldefine
module (
    input      clk,
    input      rst,
    output     clk_pll,
    output     flag);
        ……
endmodule
`endcelldefine

unconnected_drive, nounconnected_drive

在模块实例化中，出现在这两个编译指令间的任何未连接的输入端口，为正偏电路状态或者为反偏电路状态。

正偏电路状态指的是在PN结上施加正向电压，即P区接正电位，N区接负电位。在这种状态下，PN结处于正向偏置，电流可以通过PN结流动，使得PN结处于导通状态。在电子器件中，如二极管或三极管，当它们的PN结处于正偏状态时，它们可以允许电流通过。

反偏电路状态则是指在PN结上施加反向电压，即P区接负电位，N区接正电位。在这种状态下，PN结处于反向偏置，电流几乎被完全截止，PN结处于不导通状态。这种状态下，电子器件如二极管或三极管是关闭的，不允许电流通过。

正偏电路状态使得PN结导通，允许电流通过；而反偏电路状态则使得PN结截止，阻止电流通过。

`unconnected_drive pull1
. . .
 / *在这两个程序指令间的所有未连接的输入端口为正偏电路状态（连接到高电平） * /
`nounconnected_drive

`unconnected_drive pull0
. . .
 / *在这两个程序指令间的所有未连接的输入端口为反偏电路状态（连接到低电平） * /
`nounconnected_drive 
 

参考资料：【菜鸟教程】