verilog 硬件描述语言

第一章 绪论

verilog--数字电路设计技术--ASIC/SOC芯片设计--协议pcie SATA USB--系统知识（个人计算机，芯片组，网络连接，嵌入式系统，硬件和软件的互操作）

第二章 寄存器传输语言 RTL（Register Transfer Language）

第三章 可综合的verilog--用于电路设计

3.3 verilog的结构

块（block）--子块（sub-block）--模块（module）
触发器：D,RS,JK,

3.7 组合逻辑 always变量为reg类型，assign变量为wire类型3.7 组合逻辑 always变量为reg类型，assign变量为wire类型

3.7.1 always块语句

• 使用（*）代表敏感信号，包括reset_center和center1.always块语句 使用（*）代表敏感信号，有reset_center和center
• 阻塞赋值符号“=”
• 内部第一句描述了cnter_nxt的默认值（大多数情况下cnter_nxt的取值），敏感信号变化时always块执行并重新计算cnter_nxt的值
• 开始为变量分配默认值，确保不会生成锁存器，之后用if-else语句获得cnter_nxt值
• 如果有一个以上语句需要在一定条件下执行放在begin-end结构中
• 只有一条语句就不需要begin-end

3.7.2 case和if-else语句

• case语句只能有1比特为1

3.8 操作符

• 一个是按位，两个就是逻辑
  &&逻辑与 &按位与
  ||或
  !逻辑非 ~按位非 ^按位异或 ~^按位异或非
  缩位 &与 |或 ^异或 ~&与非 ~|或非 ~^异或非
  ==相等 !=不等于 > >= < <= + - * / {}并位 <<向左位移 >> ?条件运算符 %求模 **指数
• 执行顺序 尽量使用括号，括号优先执行
• 注释 //单行注释 或者 多行/**/

3.9 可重用模块化设计

• 可重用模块化设计：同一个电路单元可在不同的芯片中使用，常用的包括parameter,function,generate,`ifdef等
  parameter使用方法：参数在使用前需要被提前定义,可以在模块中被定义也可以在include头文件中定义，如chiptop_parameter.vh,模块例化时可以将不同值传递到模块内部。FIFO(First in first out,先入先出)
• 参数文件扩展名是.vh,包含芯片的全局参数，顶层参数文件中建议采用较长参数名。不同层次上有多个不同参数，需要确定参数是否唯一。
• Verilog函数 用来生成可综合的组合逻辑 函数有多个输入信号和一个输出信号，综合后得到组合逻辑，其内部不能出现时间控制相关语句，如wait，@或#
• generate结构 编译在综合和仿真之前，
• `ifdef结构用于模块设计 先创建一个chiptop_defines.vh的文件，将定义的字符串放在文件里面，使用include插入字符串语句之前。 ifdef-else if-else-endif,mux语句综合后会出现多个分支，ifdef只有一个

3.9.5 数组
定义一个深度128，位宽32的存储器

reg [31:0]  memory[0:127];
Verilog supports multi-dimensional structures.
wire [7:0] ascii_char,
wire [7:0] abc [0:31] [0:15];
assign ascii_char=abc[10][2][7:0];

第四章 用于验证的Verilog的语法

4.1 测试平台 testbench

• DUT(Design Under Test,被测电路)，Verilog中还有一些语法结构但不可综合。

4.2 initial语句

• 初始化变量，触 一句开始执行到最后一句，此后不再执行。

4.3 系统任务

• 电路仿真时，遇到$finish完成仿真并退出，一般放在testbench的顶层文件中，如果testbench_top.v是顶层仿真文件那么应在仿真结束时刻。
• $stop 停止仿真但不退出，提供一个命令提示符，在后面输入“.”继续进行
• $display 不可综合不能直接放在DUT的RTL代码中，将$display语句嵌入translate on与translate off之间,建议放在testbench中通过“.”指出信号在DUT中路径，显示需要观察的信号数值
• $monitor与display相似 仅当信号数值变化才显示
• $time返回当前仿真时间，tb中用timescale指出仿真时间单位（通常为1ns），当前时间是一个64位整数乘以timescale中的单位后取整得到的整数，不包括小数。realtime返回实数包括小数
• $random 返回一个32位带符号的随机整数。放入{}内可以得到非负整数。random(seed)中的seed是一个整数用于指出随机数的取值范围。被用于随机测试中。还可以描述不确定行为，比较器中输入值小于参考值输出0，大于输出1，相等都有可能。
• save("file name") 保存当前仿真信息
• readmemh从一个文本中读取数据，tb产生测试激励的一种方式先将要使用的数据存在文件中，仿真时使用readmemh读取并产生激励波形。
• writememh 将数据写入文本，好分析仿真过程。
• fopen("file name");打开文件 fclose(file1);关闭文件

4.4 任务

任务和函数很相似。可以将一段代码定义为一个任务，然后在不同地方多次调用该任务。任务可以自定义自己的输入输出端口，可以定时控制，如@posedge clk、non-zero timings和#10等时间控制语句。任务按顺序执行，仿真器会等到定时条件满足才执行后续的语句。如当遇到@posedge clk时，程序只在出现时钟上升沿时才执行，任务更多用于tb而不是DUT

4.5 存储器建模

通过定义二维寄存器数组的方式定义存储器，SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存取存储器),定义一个深度为1k，位宽为8字节的存储器：
reg [7:0] OneKByte [1023:0];
wire [7:0] byte_9;

4.6 while循环

• while建议加入定时控制语句如@posedge clk或#5，以避免形成定时环路。
• for循环语句可用于tb或可综合的RTL代码中
• repeat(5)
• force将一个固定值（1,0）强制赋予一个变量。release执行前无论变量怎么被驱动，值都不变，执行后由具体驱动决定
• fork/join 是并行的，先执行内部再后面

4.7 一个简单的tb文件

//生成clk_tb
initial begin
	clk_tb=1'b0;
	forever begin
			#CLKTB_HALF_PERIOD clk_tb=~clk_tb;
	end
end
//生成resetb
resetb	=1'b0;
#100 resetb=1'b1;

第五章 数字电路设计

5.1 组合逻辑门

组合逻辑门和触发器的存储元件组成数字电路
5.1.1 逻辑 1 和逻辑 0 模拟电压，低于某个门限的电压值代表0，高于一定门限的代表1，各自门限之差称为噪声容限。
5.1.2 真值表
5.1.3 晶体管 n型和p型

5.1.4 反相器

一个输入一个输出端，由一个p型和一个n型晶体管串联而成

对于CMOS逻辑门来说，只有当逻辑值发生变化时才有电流流过晶体管。

5.1.5

• 与门，一般最多五个输入，可以级联用 O=AB
• 或门 0=A+B
• 与非门 O=(AB)'
• 或非门 O=(A+B)'
• 异或XOR 不同输出1 异或非XNOR 相同输出1
• 缓冲门，输入输出相同，驱动多个负载
• 复用器 MUX 两个数据输入端，一个选择输入端以及一个输出端，sel=1选择一端输出
• 通用逻辑门 NAND与非门 NOR或非门
• 复杂门电路 由与或非电路组成
• 噪声容限 3.5v-5v为逻辑1，0-1.5v为逻辑0
  低电平噪声容限 输入端逻辑0的最大电压 上一级输出端的低电平最大电压 之间差值
  高电平噪声容限 输入端高电平最小电压 上一级输出端高电平最小电压
• 扇入 一个逻辑门正常工作时输入端的数量
• 扇出是在不降低输出电平的情况下逻辑门能够驱动的负载的数量

5.2 德摩根定理

• （A·B）'=A'+B'
• (A+B)'=A'·B'

5.3 D触发器

单比特存储元件 数据、时钟、RST、Q、Q'

• 每一个时钟上升沿，输出Q将输入D的值锁存，直到下一个时钟上升沿出现才继续锁存当前D的值
• 时序图
  
• 建立时间 上升沿之前D需要保持稳定的最短时间
• 保持时间 上升沿之后D不允许改变的时间
• 亚稳态 D发生变化时 此后的几乎一个时钟周期内 输出不确定 在下一个上升沿之前稳定为0或1
• 两个D触发器级联构成的同步器
• 信号同步规则 跨时钟域的信号必须直接来自源时钟域的寄存器输出，使用专用触发器，在一个点上进行跨时钟域信号同步
• 时序 常用的接口(PCIE SATA USB)时钟频率不变，确保延迟不超过一个时钟周期；另一种尽可能降低门延迟，最大限度提高系统频率 如处理器
  Tctop+Tgate(max)=Tclk-Tskew-Tsetup
• 事件/边沿检测 检测上升沿下降沿
  同步上升/下降沿检测、异步输入上升沿检测

5.8 数值系统

• 十进制D 二进制B 八进制 十六进制H
• 行波进位加法器、超前进位加法器、累加器
• 乘一个常数 通过向左移位相加或相减
• 除一个2的整数次幂，向右移位
• 加法/减法计数器
• LFSR计数器--线性反馈移位寄存器，由一组级联的移位寄存器加上异或（非）门的反馈构成

第六章 数字设计基础模块

6.1 LFSR

用于产生可重复的伪随机序列PRBS，最后一个触发器的输出就是一个周期性重复的伪随机序列，n个触发器可以产生周期为2的n次幂-1的序列

• 斐波那契LFSR为多到一型，多个触发器异或驱动一个触发器的输入
• 伽罗瓦LFSR为一到多型，一个触发器异或驱动多个触发器的输入
• 用作计数器速度快，消耗逻辑门少；扰码器产生重复的比特图案，密码系统，BIST，快速以太网及吉比特以太网

6.2 扰码与解码

发送数据前随机扰乱，接收电路采用相同的算法恢复数据
LFSR产生伪随机序列和串行输入的数据进行异或
周期长度取决于触发器级数和多项式
接收电路有一个一样的伪随机序列产生器，其与接收数据进行异或就能恢复数据 A^B=C 则C^B=A

• 扰码作用 可以使重复的数据频谱被展宽，例如10101010会产生较强的EMI电磁干扰，进行扰码后EMI大大减弱
  还可以减少并行线路中的串扰，可以使功率谱分布更为平滑均匀，降低高频串扰
• 串行扰码器 一个时钟周期只有1比特数据到达
• 并行扰码器 每个时钟周期内产生八位随机数，扰码器也产生八位
• 设计要点 扰码器初始化，PCIE中使用COM字符；扰码器暂停，PCIE数据流中会添加或删除SKIP字符，扰码器去使能，不断更新

PCIE扰码器是一个16位LFSR
G(x)=x16+x5+x4+x3+1 有16个LFSR触发器，初始化为16'hFFFF,SKP字符可暂停

6.3 纠错与检错

检错

• 额外添加一些数据与原始数据一起传输，称为冗余比特，
• 奇偶校验 可以发现奇数个比特错误，找不到错误位置，不能纠错
• CRC校验是数据包中常用的检错机制

纠错