转）普及基础知识二

1.数字电路基础知识： 布尔代数、门级电路的内部晶体管结构、组合逻辑电路分析与设计、触发器、时序逻辑电路分析与设计

2.数字系统的构成： 传感器 AD 数字处理器 DA 执行部件

3.程序通在硬件上的执行过程：
C语言(经过编译)-->该处理器的机器语言(放入存储器)-->按时钟的节拍，逐条取出指令、分析指令、执行指令

4.DSP处理是个广泛概念，统指在数字系统中做的变换(DFT)、滤波、编码解码、加密解密、压缩解压等处理

5.数字处理器包括两部分：高速数据通道接口逻辑、高速算法电路逻辑

6.当前，IC产业包括IC制造和IC设计两部分，IC设计技术发展速度高于IC设计

7.FPGA设计的前续课程：数值分析、DSP、C语言、算法与数据结构、数字电路、HDL语言 计算机微体系结构

8.数字处理器处理性能的提高：软件算法的优化、微体系结构的优化

9.数字系统的实现方式：
编写C程序,然后用编译工具得到通用微处理器的机器指令代码，在通用微处理器上运行(如8051/ARM/PENTUIM)
专用DSP硬件处理器
用FPGA硬件逻辑实现算法，但性能不如ASIC
用ASIC实现，经费充足、大批量的情况下使用，因为投片成本高、周期长

10.FPGA设计方法： IP核重用、并行设计、层次化模块化设计、top-down思想
FPGA设计分工：前端逻辑设计、后端电路实现、仿真验证

11.matlab的应用：
matlab中有许多现成的数学函数可以利用，节省了复杂函数的编写时间
matlab可以与C程序接口
做算法仿真和验证时能很快生成有用的数据文件和表格
DSP builder可以直接将simulink模型转换成HDL代码，跳过了中间的C语言改写步骤

12.常规从算法到硬件电路的开发过程：
算法的开发
C语言的功能描述
并行结构的C语言改写
verilog的改写
仿真、验证、修正
综合、布局布线、投入实用

13.C语言改写成verilog代码的困难点：
并行C语言的改写，因为C本身是顺序执行，而不是并行执行
不使用C语言中的复杂数据结构，如指针
目前有将C语言转换成verilog的工具？

14.HDL
HDL描述方法是从电路图描述方法演化来的，相比来说更容易修改
符合IEEE标准的有verilog HDL和VHDL
VHDL由美国国防部开发，有1987和1993两个版本
verilog由cadence持有，有1995、2001、2005三个版本
verilog较VHDL更有前景：具有模拟电路描述能力、不仅可以开发电路还可以验证电路、门级以下描述比VHDL强
RTL级和门级的综合已经成熟，主要是注意行为级的综合结果，使用可综合的编程风格
SYSTEM VERILOG是VERILOG的一种延伸

15.IP核的应用：
软核soft core： 功能经过验证的、可综合的、实现后门数在5K以上的HDL代码
固核firm core： 功能经过验证的、可综合的、实现后门数在5K以上的电路结构编码文件，如edif，不可更改
硬核hard core: 功能经过验证的、可综合的、实现后门数在5K以上的电路结构版图，已带工艺参数，不可更改

16.HDL语言综合后得到EDIF，这是一种标准电路网表
EDIF经过具体工艺库匹配、布局布线、延时计算后得到网表
EDIF不可更改，作为固核存在

17.verilog特点：
区分大小写，所有关键字都要求小写
不是强类型语言，不同类型数据之间可以赋值和运算
//是单行注释 可以跨行注释
描述风格有系统级描述、行为级描述、RTL级描述、门级描述，其中RTL级和门级别与具体电路结构有关，行为级描述要遵守可综合原则
门级描述使用门级模型或者用户自定义模型UDP来代替具体基本元件，在IDE中针对不同FPGA器件已经有对应的基本元件原语

18.verlog语法要点：
module endmodule之间由两部分构成：接口描述和逻辑功能描述
IO端口种类： input output inout
相同位宽的输入输出信号可以一起声明， input[3:0] a,b; 不同位宽的必须分开写
内部信号为reg类型，内部信号信号的状态： 0 1 x z， 3'bx1=3'bxx1 x/z会往左扩展 3'b1=3'b001 数字不往左扩展
逻辑功能描述中常用assign描述组合逻辑电路，always既可以描述组合逻辑电路又可以描述时序逻辑电路，还可以用元件调用方法描述逻辑功能
always之间、assign之间、实例引用之间以及它们之间都是并行执行，always内部是顺序执行
常量格式： <+/-><二进制位宽><'><进制><该进制的数值>：
默认进制为10进制
默认位宽为32位
位宽是从二进制宽度角度而言的
由位宽决定从低位截取二进制数2'hFF=2'b11，通常由被赋值的reg变量位宽决定
parameter常用于定义延迟和变量位宽，可用常量或常量表达式定义
变量种类： wire reg memory
IO信号默认为wire类型，除非指定为reg类型
wire可以用作任何输入输出端口
wire包括input output inout
wire不带寄存功能
assign赋值语句中，被赋值的信号都是wire类型
assign之所以称为连续赋值，是因为不断检测表达式的变化
reg类型可以被赋值后再使用，而不是向wire一样只能输出，类似VHDL中的buffer端口
reg类型变量初始值为x (VHDL中初始值为本类型最小值，通常是0)
always模块里被赋值的信号都必须定义为reg类型，因为always可以反复执行，而reg表示信号的寄存，可以保留上次执行的值
reg类型变量与integer变量不同，即使赋负值，实质上也是按二进制无符号数存储的，integer是有符号数
verilog中所有内部信号都是静态变量，因为它们的值都在reg中存储起来了
memory型只有一维数组，由reg型变量组成
memory初始化只能按地址赋值，不能一次性赋值
1*256的memory写法： reg mema[255:0] mema[3]=0;
不同位宽的变量之间赋值，处理之前都以被赋值的变量位宽为准扩展或截取
A[a:b] 无论a b谁大，a总是实际电路的信号高位，b总是实际电路的信号低位
算术运算中如果有X值则结果为X
for循环中的变量另外定义成integer，因为它不是实际信号，有正负；reg则以无符号数存在
== 和!=只比较0、1，遇到z或x时结果都为x (x在if中算做假条件)，结果可能是1、0、x
===和!==比较更加苛刻，包括x和z的精确比较，结果可能是0、1
&&的结果只有1'b1或1'b0两种， A&A的结果位宽则是与A相同的
{1,0}为 64'h100000000,所以拼接运算中各信号一定要指定位宽
移位运算左移将保留 4'b1000<<1等于5'b10000，右移则舍弃 4'b0011等于4'b0001
数字电路里位运算应用普遍，包括按位逻辑运算、移位运算、拼接运算、缩减运算

非阻塞式赋值<=与阻塞式赋值=
阻塞：在同一个always过程中，后面的赋值语句要等待前一个赋值语句执行完，后面的语句被该赋值语句阻塞
非阻塞：在同一个always过程中，非阻塞赋值语句是同时进行的，排在后面的语句不会被该赋值语句阻塞
<=：
块结束后才能完成赋值
块内所有<=语句在always块结束时刻同时赋值
<=右边各变量的值是上一次时钟边沿时，这些变量当时的值
用于描述可综合的时序电路
=：
=语句结束之后过程always才可能结束
在always过程中，begin end块内按先后顺序立即赋值，在fork join内同时赋值(可能造成冲突)
与assign连用描述组合电路
begin end中阻塞的含义：begin ...@(A) B=C...; end 如果A事件不发生则永远不能执行下去，被阻塞了
由于时钟的延时(往往在ps级)，多个always(posedge)之间究竟谁先执行是个未知数
使用原则：同一个always过程块内建立时序电路用<=
纯组合逻辑电路用=，生成的电路结构最简单，执行速度最快
同一个always块内不要混用<=和=
不要在多个always块内对同一个变量赋值(多源驱动)

if else的三种形式，第三种形式适合描述优先编码器
if条件中0/x/z当成假，1当成真，非0的数值也当成真
case语句的三种： case(四种状态的比较) casez(忽略z) casex(忽略x和z，只看哪些位的信号有用)
case语句中所有表达式值的位宽必须相等，default中不能将n'bx用'bx代替
避免生成锁存器的方法： 电平触发时if后加else case中加default ？
使用casex会将不必要的状态视为无关项，使得综合出来的电路最简单
两种特殊的括号： begin 顺序语句... end fork 并行语句... join,其差别在于块内语句的起止时间、执行顺序、相对延时

块被命名后，其内部变量可以被调用，因为变量都是静态的(调用信号：对应电路中的一个信号线被引到另一处)

initial块只无条件执行一次 always块在满足条件时不断执行
initial常用来写测试文件， always块常用来写电路描述
always既可以描述组合逻辑电路又可以描述时序逻辑电路
always如果后面有敏感信号列表则不能用wait语句
always既可以描述电平触发又可以描述边沿触发，wait只能描述电平触发
assign常用于描述组合逻辑电路
测试文件中一般都是现initial 后always

生成语句：生成快的本质是使用循环内的一条语句代替多条重复的verilog语句，简化了用户的编程
genvar用于声明生成变量，生成变量只能用在生成快之间
仿真时，仿真器会将生成块中的代码展平，在确立后的方针代码中，生成变量是不存在的
最好是先想象出来循环生成语句被展平后的电路样子，再写相关的描述语句

task和function的区别：
task可以定义自己的仿真时间单位，function与主模块共用同一个仿真时间单位
函数不能启动任务，任务能够启动函数
函数至少要有一个输入变量，任务没有输入变量
函数返回一个值，任务不返回值

一个模块的设计包括3个部分： 电路模块的设计 测试模块的设计 设计文档的编写
设计者通过布局布线工具生成具有布线延迟的电路，再进行后仿真，得到时序分析报告
从时序分析报告中可以知道电路的实际延迟t，同步电路内每个时钟周期要大于t,从而可确定该运算逻辑的最高频率
综合器之所以能够实现加法器、乘法器是因为库中已经存在可配置的参数化器件模型
FPGA内总线宽度容易自定义，以便实现高速数据流，三态数据总线相当于数据流的控制阀门
数字系统内数据流的控制： 开关(或三态数据总线)、数据暂存部件(寄存器)、 同步状态机控制(整个系统在一个时钟域内)

流水线操作pipe line：
K级流水线就是从组合逻辑的输入到输出恰好有K个寄存器组，上一级的输出是下一级的输入
流水线操作获得第一个结果的时间要比不用流水线操作的时间长，但以后结果获得时间都只需要一个时钟周期，提高了数据吞吐量
流水线操作的保证：Tclk>K*(组合逻辑延迟+触发器的建立保持时间/触发时间),即时间片段要长于最大路径延迟
体现了面积换速度的思想，在综合时考虑的是以面积小为主还是以速度为主
本质上是一种同步逻辑

同步时序逻辑和异步时序逻辑：
同步时序逻辑指所有寄存器组由唯一时钟触发 always@(posedge clk) 或always@(negedage clk)
异步时序逻辑指触发条件不唯一，任意一个条件都会引起触发 always@(posedge clk or posedage reset)
目前的综合器是以同步时序逻辑综合的，因为同步时序逻辑较异步时序逻辑可靠
严格的同步要求时钟信号传递速度远远大于各部分的延迟，实际中clk要单独用线，而不要经过反相器等部件
always @(posedge.. ) begin ...<=... end 表示同步时序逻辑(同时刻赋值)
不同速率数据接口的处理方法(异步数据的处理方法)：帧同步 FIFO 双端口RAM

同步状态机：
包括moore和mealy型两种，及其反馈模型(是一种反馈控制系统，当前状态就是其内部状态变量)
状态机的开发步骤：
根据实际问题列出输入输出变量和状态数
画出状态图并化简
写出状态转移真值表得到逻辑表达式
用D触发器或JK触发器构建电路(目前用D触发器多)
verilog描述时只需要得到简化的状态图就可以描述
状态编码方式： 独热码 格雷码
状态机主体程序有单always描述方式和多always描述方式
采用case/casez/casex建立模型最好，因为x是无关态，生成的电路最简单
default: state='bx与实际情况更一致，效果等同于 default: state<=idle
只有同步状态机才能被目前的综合

for语句会将所有变量的情况展开，占用巨量逻辑资源，替代办法是用计数器和case语句说明所有情况
有优先级的if else结构会消耗更多资源，建议用无优先级的case替代
模块的复用往往比代码上修改节省的资源多
PLL的分频、倍频、移相操作会增加设计精度
同步时序电路的延时：#x通常用于仿真测试，实际硬件延时是：长延迟用计数器，小延迟用D触发器，此方法用来取代延迟链
同步电路中，稳定的数据采用必须满足采样寄存器的建立和保持时间
reg类型在always中不一定综合成时序电路，也可能是组合逻辑电路
乒乓操作与作用 异步时钟域同步问题
延迟包括门延迟和线延迟
组合逻辑产生的时钟仅能应用在时钟频率较低、精度要求不高的情况下
增减敏感信号得到的结果一样

补充部分：

verilog HDL起初是作为写testbench而产生的
verilog 有1995进入IEEE标准，为IEEE-1364, 于2001年进行了扩展，为IEEE 1364-2001；
verilog AMS可用于模拟电路和数字电路的综合，目前正在不断发展和完善中；

verilog的标识符区分大小写，关键字使用小写；
用\\来进行单行注释，用\* *\来进行跨行注释；
标识符由字母、数字、下划线构成，并以字母开头；
关键字又叫保留字，只有小写的关键字才是保留字；

信号的状态有4种： 0 1 x z
x和z在描述电路时不区分大小写，在仿真时大小写有不同意义；

常量表达式中：
x z不区分大小写；
进制符号h o d b与H O D B不区分大小写；
十六进制中a~f不区分大小写；
下划线_用于提高可读性；
？在数中可以代替z；
x和z的左端补位；

字符和字符串都以ASICII码形式存在，也可以当成电路内的信号；
字符串必须包含在同一行，不能分成多行书写；
如果表达式或者赋值语句中将字符串当成操作数，则字符串中的每个字符都被看成8位的ASCII值序列；

可综合的信号类型：wire reg memory 它们用来描述数字电路
不可综合的数据类型：integer real 它们只用仿真，位于testbench中

wire是连线的抽象模型，不能保存数据，其值由驱动元的值决定；
wire不能用在always或initial块中；
wire的默认值为高阻z；
wire的使用情形： 1.作为模块的输出端口 2.用连续赋值语句assign赋值；
reg是1位寄存器（触发器）的抽象模型，可以保存数据；
reg必须用在always或initial块中；
reg的默认值为x；
reg的使用情形：1.阻塞赋值<= 2.非阻塞赋值=
memory只能是一维的；
memory只能对每个单元分别初始化，方法：1.一个一个赋值 2. 通过系统任务$readmem赋值
reg[3:0] fc；//一个4位寄存器 reg fc[3:0] //4个一位寄存器

parameter的作用：仿真开始以前对其进行赋值，整个仿真过程中保持其值不变；

关系运算符将以逻辑1或逻辑0返回比较的结果；
== !=的返回值有0 1 x三种情况，=== !==的返回值只有0 1两种情况；

verilog由于是描述电路的，用于位的操作较多，有: 位逻辑操作，移位操作，并置操作，归约操作；
位逻辑运算的结果中，位数与原操作数一样多；
归约符是在原操作数的所有位上进行操作，并产生1位结果；
并置运算可以发生在bit与bit之间 bit与矢量之间 矢量与矢量之间

用于仿真的系统任务：
所有系统任务都必须在initial或always内；
所有系统任务都必须以$开头；
常见系统任务：
显示任务($diplay系列和$write系列)
监控任务($monitor系列)
探测任务($strobe系列)
文件打开、输入、关闭任务(&fopen &fclose &fdisplay...)
读取文件任务($readmemb $readmemh)
仿真结束控制任务($finish $stop)
随即信号任务($random)

过程块： initial块和always块
一个module内可以包含多个initial或always模块；
所有initial或always块在0时刻开始并行执行，各initial或always块内部顺序执行；
initial过程块主要是面向testbench的，通常不具有可综合性；
always过程块在描述电路时既可以描述组合逻辑电路(电平敏感)又可以描述时序逻辑电路(边沿敏感)；
写testbench时initial通常用于初始化以及顺序波形的描述，always通常用于重复波形的描述；

任务task与函数function: 为了描述模块中被多次执行的部分以及为了增强代码的易读性
verilog中的高级程序语句如for循环语句只用在写testbench中；
begin end和fork join是两种特殊的括号
if语句的第三种形式适合描述优先编码器，case语句适合描述数据选择器和状态机；

case的条件表达式如果与分支项表达式长度不同，则在比较前将所有表达式都统一为这些表达式的最长长度；
casez忽略z，casex忽略z和x；

assign语句只在右端表达式发生变化时才重新计算并重新赋值，其余时间都是连续赋值；
assign语句可以指定bit、vector或是任意拼接操作的结果；
assign语句是连续赋值的，用于驱动网线wire， reg类型不需要连续赋值，reg类型一旦被赋值就会一直保存；

过程赋值语句有两种：阻塞式=和非阻塞式<=，只能在过程块initial和always中使用；
@对事件触发的控制与wait语句不能同时使用；

Verilog的两个误区:
使用Reg类型还是Net类型:
   Reg类型只在过程块中被赋值;而Net类型则在过程块外面被赋值或者驱动.

阻塞赋值和非阻塞赋值:
   Verilog中竞争发生的条件:两个或多个语句在执行顺序不同时导致不同的结果,则存在竞争.
   Nonblocking不是一个类型;
   Blocking赋值是一个单步过程,计算RHS,并更形LHS是不可中断的.
   七条准则:
    1.时序逻辑和锁存器,使用非阻塞赋值
    2.always块中的组合逻辑,使用阻塞赋值
    3.同一always块,时序组合混合逻辑使用非阻塞赋值
    4.通常情况下,在同一always块中不要混合使用阻塞与非阻塞赋值
    5.不要在多个always块中对同一变量进行赋值
    6.使用$strobe显示非阻塞赋值得信号
    7.不要用#0的过程赋值
Verilog中的分层事件队列:
   活动事件:阻塞赋值;计算非阻塞赋值的RHS;连续赋值;$display命令;计算输入并改变原语的输出.这些事件可能按照任意次序调度.
   非活动事件:#0的阻塞赋值
   非阻塞事件:更新非阻塞赋值的LHS
   监视事件:$monitor命令;$strobe命令
经验:
   在always块中使用非阻塞赋值来产生时序逻辑和锁存器
   在always块中使用阻塞赋值来产生组合逻辑
   在always块中使用非阻塞赋值来产生同一块中的时序和组合逻辑
   在纯组合逻辑中使用非阻塞赋值可能会导致功能错误

阻塞赋值和非阻塞赋值混合使用的方式:
   将组合逻辑赋值通过时序表达式表示
   或者将组合逻辑赋值与时序逻辑分开,在独立的语句块中描述
   不推荐在同一always块中混合使用阻塞和非阻塞赋值

几个关于非阻塞赋值的错误理解:
   错误1:无法使用$display命令显示非阻塞赋值变量
   正解:非阻塞赋值变量的更新在所有$display命令之后
   错误2:#0让一个赋值在每个时间步的最后执行
   正解:#0只会让赋值语句进入非活动事件队列
   错误3:在同一always块中对同一变量进行多次非阻塞赋值是不允许的
   正解:在IEEE 1364 verilog标准中定义了上述赋值,最后一个非阻塞赋值起作用

模拟开始时候的困难:
   不同的模拟器,不同的模拟选项导致开始模拟时现象不同
   建议: 在0时刻通过非阻塞赋值设置reset信号;
    第一个半周期设置clock为0

编写Verilog代码的一些经验:
   Verilog文件名和模块名相同
   不要在可综合代码中使用casex语句
   当在可综合代码中使用casez语句时要小心
   当写case语句时,对存在不关心的cases时使用casez,使用?代替Z来表示不关心的cases

Verilog编写状态机相关:
   状态机分类:Moore(输出只与当前状态相关)和Mealy(输出与当前状态和输入相关)
   二进制编码和One-Hot编码
   状态机的基本块:下一状态度组合逻辑;时钟同步的当前状态逻辑;输出组合逻辑
   两个always块写状态机,使用三个always块,如果输出需要寄存
   使用高效的One-Hot状态编码,组合输出
   经验:
    每个状态机作为一个独立的Verilog模块
    对状态进行预定义,状态赋值使用状态名作参数,不要使用`define,多使用parameter
   两个always语句块的状态机,一个always用来描述状态向量寄存器的时序逻辑.一个用来描述下一状态度组合逻辑.组合输出可以通过连续赋值语句或者在下一状态度组合always块中描述.