verilog设计知识集合

verilog设计知识集合

一、基本知识

verilog HDL，verilog硬件描述语言，可从上层到下层一直设计，使用一些列分层的模块来表示极其复杂的数字系统的语言。利用EDA工具将模块转化为网表，再使用FPGA或者ASIC实现具体的电路结构。

另外一门比较出名的是硬件描述语言是VHDL，偏重标准化考虑。

两门语言的描述能力略有差别，verilog的系统抽象能力的较弱，门级和开关电路级的描述能力比VHDL强。

主流设计方法是RTL设计，从RTL描述生成网表；行为级综合工具允许直接对电路的算法和行为描述。

二、设计流程和通用设计方法论

1、完整工程通用设计方法

（1）设计规范

对整个项目的设计情况和要求具体描述：

1️⃣展示芯片与系统关系的外部框图：系统描述

2️⃣展示每一部分功能的内部框图：功能描述

3️⃣IO引脚的描述：引脚描述

4️⃣定时估计：时序描述

5️⃣器件门数估计：面积估计

6️⃣封装形式：封装估计

7️⃣功耗形式：功耗估计

8️⃣价格目标：价格估计

还有测试程序，这个是在设计中不断添加的。

（2）设计规范评估

用于设计规范的可用性的评估，决定是否可行。

（3）选择器件和工具

选择芯片和对应的EDA工具，如Xilinx的芯片和vivado、Altera（inter）的芯片和quartus或者其他的系列。

（4）设计

采用从上到下的方法，按照器件的结构来工作，使用合适的设计方法，解决设计中的问题。

（5）检验

对设计的源码进行仿真，完成RTL级仿真结果和门级仿真结果的一致。这简称前仿真。在布局布线前还需要时序分析和后仿真。

（6）最终的评估

形式上确认无误

（7）系统集成和测试

芯片投产后进行连续的器件和系统的可靠性测试。

2、verilog HDL设计方法

（1）Bottom-Up

先出系统框图，然后划分模块，再进行设计，然后将设计综合成系统。

优点实现各个子模块的时间较短。

缺点是对整个系统的功能把握不足，整个系统实现时间较长，对设计人员相互协作的能力要求较高，结构设计错误容易造成较大损失。

（2）Top-Down

对整个系统进行方案设计和高层次的功能划分，使用低层次实现高层次的功能，一个设计分为树形结构。可以购买末端的设计。

优点：设计开始时就完成了系统分析，主要仿真和调试过程在高层次完成，可以尽早完成结构设计上的错误。方便了从系统级划分和管理整个项目。

缺点：得到的最小单元不标准，制作成本可能比较高。

（3）综合使用

1️⃣设计开始时，对系统的行为进行仿真，仿真成功后转化为RTL级描述

2️⃣RTL级描述，RTL级行为级描述硬件有关。

3️⃣逻辑综合，将RTL级描述转化为网表。

三、verilog语法的基本概念

1、模块（module）

verilog的模块可以对应不同级别的抽象：

1️⃣系统级2️⃣算法级3️⃣RTL级4️⃣门级5️⃣开关级

其中123是行为级，前端需要掌握4，后端还需要掌握5，在学习中了解每个模块的层次是重要的。

2、功能

（1）顺序执行（begin-end）或者并行执行（fork-join）

（2）延时表达式（#）或者事件表达式

（3）通过命名事件触发其他事件

（4）条件语句（if，case）等循环程序结构

（5）提供可带参数且非零延续的时间的任务task结构

（6）提供可以自定义新的操作符的函数function结构

（7）用于建立表达式的运算符（算数、逻辑、位运算符）

（8）结构化语言也是用于门级和开关级

3、模块的调用

通过模块名可以调用其他模块，注意端口的一致性。

4、模块测试

模块测试的语法较可综合的语法会宽泛，允许使用各种测试系统函数（stop，display）。测试的方法就是测试信号对呗测试模块的调用。

四、模块的结构

1、模块的结构

verilog程序包括四个部分：

端口定义，IO说明、内部信号声明和功能定义。

 module name（io1，io2，io3）;

input io1；

output io2，io3；



endmodule

2、数据类型及常量和变量

reg、wire、integer、parameter

reg：寄存器型，always内部赋值专用

wire：连线变量，assign内部赋值专用变量

integer：整型，用于语法描述所需的整数，

parameter：参数，用于模块内部的常量。

具体实例：

1️⃣整型

1'b1,2'o1,3'd1.4'h1,

'b1,'h2,'d3,

1,2,3,

x,z,

2️⃣字符串

"abcd","abc\n","ab\\",

"ad%%"

3️⃣变量

wire，tri

reg，integer

memory （reg的数组）

wire a;

reg [7:0] b;

reg [7:0] b [255:0];

五、verilog HDL运算符

基本原则：

wire和reg是无符号数，

整型和实数型有符号数，

操作数存在x，结果即为x，

//算数操作
a=4’b1100; /*a=12*/ b=4’b0011; /*b=3*/ c=4’b1011; /*b=11*/
$display(a*b); //结果4 (10 0100，按操作数最长位数截短)
$display(a/b); //4
$display(a+b); //15
$display(a+c); //7 (1_0111截短到4位)
$display(a-b); //9
$display((a+1’b1)%b); //1
$display(-10%3); //-1
$display(11%-3); //2

//位操作
a=4’b1100; b=4’b0011; c=4’b0101; d = 4’b1xx0; e = 4’b0;
$displayb(~a); //结果0011
$displayb(a&c); //0100
$displayb(a|b); //1111
$displayb(b^c); //0110
$displayb(a~^c); //0110
$displayb(d&e); //0000

//逻辑操作
a=2; b=0; c=4’hx;
$display(a&&b); //结果0
$display(a||b); //1
$display(!a); //0
$display(a||c); //1
$display(a&&c); //x
$display(!c); //x
$display(b&&c); //0

//比较操作
a=2; b=5; c=2; d=4’hx; e= -2;
$display(a<b); // 1
$display(a>b); // 0
$display(a>=c); // 1
$display(d<=a); // x
$display(4'b0 <= 4'hx); // x

$display(-2<b); // 0
$display(-2<5); // 1
$display(2-5); // -3
$display(a-b); // 13
$display(e); // 14

这里注意display显示符号位和不显示符号位的要求：全reg型变量显示符号位，全常量不显示符号位。混合未知。（在编译器中会出现乱码）

//移位操作
a=4’b1010;
$displayb(a<<1); //结果4’b0100
$displayb(a>>2); // 4'b0010
$displayb(4'bx<<2); // 4'bxx00
$displayb(4'b1101<<2); // 4'b0100

//连接操作
a=1’b1; b=2’b00; c=6’b101001;
$displayb({a, b}); //结果3’b100
$displayb({c[5:3], a}); // 4’b1011
$displayb({4{a}}); // 4’b1111

//缩位操作
a=4’b1111; b=4’b0101;
c = 4’b0x1z;
$displayb(&a); //结果1
$displayb(|b); // 1
$displayb(^b); // 0

$displayb(&c); //结果0
$displayb(|c); // 1
$displayb(^c); // x

//判断操作
result = (op==ADD)? a+b : a-b;

止于运算优先级，多错几次就知道了。基本按照C语言走的。

六、verilog语句

1、块语句

顺序快（begin-end）和并行块（fork-join），两者的区别在于执行方法。顺序块逐条执行，并行块整体执行。一般使用begin-end比较符合C的设计习惯。主要差别在于延时的判断。

2、赋值语句

=阻塞赋值，等式右边先计算，再一起赋值给左式。

<=非阻塞赋值，等式右边计算后赋值给左式，然后计算下一条。

起始时间和结束时间：

对于并行块，最长的就是结束时间。对于顺序块，结束时间是所有延时相加。

3、条件语句

if-else语句和case语句，和C语言大致相似。case的形式有所区别：

case ( rega )
16’d0: result=7’b0111111;
16’d1: result=7’b1011111;
16’d2: result=7’b1101111;
16’d3: result=7’b1110111;
16’d4: result=7’b1111011;
16’d5: result=7’b1111101;
16’d6: result=7’b1111110;
default: result=7’bx;
endcase

casez不考虑z，casex不考虑x和z，可以灵活使用。

4、循环语句

forever、repeat、while、for

这四个循环语句都不可以直接综合，不能独立放在程序中。

forever  begin end

repeat （numb）begin end

while （条件）begin end

for（初始化，跳出条件，执行语句）begin end

5、结构说明语句

initial always task function

initial：只是执行一次的语句

always：总是执行

task：带参数的复用模块

function：带参数的关键字声明。函数不能启动任务。

task通过参数传递结果，function通过返回值传递结果。简单理解，task是可快速调用的代码，function是自定义的关键字。

6、系统函数

• $display和$write 标准输出任务
• $monitor 仿真监控任务
• $finish和$stop 仿真结束任务
• $time和$realtime等 时间函数
• $fopen…$readmemh等 文件、存储器处理
• $random 随机数函数

7、系统预编译

• `define 宏定义
• `include 文件包含
• `ifdef…`else…`endif 条件编译
• `timescale 时间定标
• `uselib 工作库定义