Verilog部分笔记
当用 Verilog 设计完成数字模块后进行仿真时，需要在外部添加激励，激励文件叫 testbench。
功能仿真（前仿真）
时序仿真（后仿真）
用 // 进行单行注释
用 /* 与 */ 进行跨行注释
标识符区分大小写
一般直接写数字时，默认为十进制表示
负数表示：
-6'd15
-15
字符串是由双引号包起来的字符队列，不能多行书写
wire [32-1:0] gpio_data;
//等价于
wire [31:0] gpio_data;- [bit+: width] : 从起始 bit 位开始递增，位宽为 width。
- [bit-: width] : 从起始 bit 位开始递减，位宽为 width。
//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。例如：
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
always块里赋值对象不能是wire型
条件操作符从右往左关联
//自右向左关联，两种写法等价，结果为 B 或 D 或 F
A ? B : C ? D : F ;
A ? B : (C ? D : F) ;等价操作符包括逻辑相等（==），逻辑不等（!=），全等（===），非全等（!==）。
逻辑相等/不等操作符不能比较 x 或 z，当操作数包含一个 x 或 z，则结果为不确定值。
全等比较时，如果按位比较有相同的 x 或 z，返回结果也可以为 1。
逻辑运算【&&（逻辑与）, ||（逻辑或），!（逻辑非）】中，如果一个操作数任意一位为 x 或 z，它等价于 x。
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。
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移位操作符包括左移（<<），右移（>>），算术左移（<<<），算术右移（>>>）。
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。
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
wire 型变量只能被赋值一次
全加器
module full_adder1(
input Ai, Bi, Ci
output So, Co);
assign {Co, So} = Ai + Bi + Ci ;//Co进位输出，So和输出
endmodule
module time_delay_module(
input ai, bi,
output so_lose, so_get, so_normal);
assign #20 so_lose = ai & bi ;//计算结果延时20个时间单位赋值，此期间若ai或bi值变化，立即重新计算。
assign #5 so_get = ai & bi ;
assign so_normal = ai & bi ;//so_normal、so_get、so_lose的值依次变化。
endmodule
非阻塞赋值语句使用小于等于号 <= 作为赋值符
事件控制用符号 @ 表示。
关键字 posedge 指信号发生边沿正向跳变，negedge 指信号发生负向边沿跳变，未指明跳变方向时，则 2 种情况的边沿变化都会触发相关事件。
敏感列表：
//带有低有效复位端的D触发器模型
//@（敏感列表）
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
//always @(posedge clk , negedge rstn) begin
//也可以使用逗号陈列多个事件触发
if（! rstn）begin
q <= 1'b ;
end
else begin
q <= d ;
end
end组合逻辑输入变量很多时
//@* 或 @(*)，表示对语句块中的所有输入变量的变化都是敏感的
always @(*) begin
//always @(a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m) begin
//两种写法等价
assign s = a? b+c : d ? e+f : g ? h+i : j ? k+l : m ;
end电平敏感：
//使用关键字 wait 来表示电平敏感情况
initial begin
wait (start_enable) ; //等待 start 信号
forever begin
//start信号使能后，在clk_samp上升沿，对数据进行整合
@(posedge clk_samp) ;
data_buf = {data_if[0], data_if[1]} ;
end
end
并行块中的语句是并行执行的，即便是阻塞形式的赋值。
命名块
`timescale 1ns/1ns
module test;
initial begin: runoob //命名模块名字为runoob，分号不能少
integer i ; //此变量可以通过test.runoob.i 被其他模块使用
i = 0 ;
forever begin
#10 i = i + 10 ;
end
end
reg stop_flag ;
initial stop_flag = 1'b0 ;
always begin : detect_stop
if ( test.runoob.i == 100) begin //i累加10次，即100ns时停止仿真
$display("Now you can stop the simulation!!!");
stop_flag = 1'b1 ;
end
#10 ;
end
endmoduledisable 可以终止命名块的执行，可以用来从循环中退出、处理错误等。
`timescale 1ns/1ns
module test;
initial begin: runoob_d //命名模块名字为runoob_d
integer i_d ;
i_d = 0 ;
while(i_d<=100) begin: runoob_d2
# 10 ;
if (i_d >= 50) begin //累加5次停止累加
disable runoob_d3.clk_gen ;//stop 外部block: clk_gen
disable runoob_d2 ; //stop 当前block: runoob_d2
end
i_d = i_d + 10 ;
end
end
reg clk ;
initial begin: runoob_d3
while (1) begin: clk_gen //时钟产生模块
clk=1 ; #10 ;
clk=0 ; #10 ;
end
end
endmoduledisable 在 always 或 forever 块中使用时只能退出当前回合，下一次语句还是会在 always 或 forever 中执行。因为 always 块和 forever 块是一直执行的。
条件选项可以有多个，不仅限于 condition1、condition2 等，而且这些条件选项不要求互斥。
当多个条件选项下需要执行相同的语句时，多个条件选项可以用逗号分开，放在同一个语句块的候选项中。
case(sel)
2'b00: sout_t = p0 ;
2'b01: sout_t = p1 ;
2'b10: sout_t = p2 ;
2'b11: sout_t = p3 ;
2'bx0, 2'bx1, 2'bxz, 2'bxx, 2'b0x, 2'b1x, 2'bzx :
sout_t = 2'bxx ;
2'bz0, 2'bz1, 2'bzz, 2'b0z, 2'b1z :
sout_t = 2'bzz ;
default: $display("Unexpected input control!!!");
endcasecasex、 casez 语句是 case 语句的变形，用来表示条件选项中的无关项。
casex 用 "x" 来表示无关值，casez 用问号 "?" 来表示无关值。
module mux4to1(
input [3:0] sel ,
input [1:0] p0 ,
input [1:0] p1 ,
input [1:0] p2 ,
input [1:0] p3 ,
output [1:0] sout);
reg [1:0] sout_t ;
always @(*)
casez(sel)
4'b???1: sout_t = p0 ;
4'b??1?: sout_t = p1 ;
4'b?1??: sout_t = p2 ;
4'b1???: sout_t = p3 ;
default: sout_t = 2'b0 ;
endcase
assign sout = sout_t ;
endmodule
Verilog中没有i++和i--
// for 循环语句
integer i ;
reg [3:0] counter2 ;
initial begin
counter2 = 'b0 ;
for (i=0; i<=10; i=i+1) begin
#10 ;
counter2 = counter2 + 1'b1 ;
end
endrepeat 的功能是执行固定次数的循环。repeat 循环的次数必须是一个常量、变量或信号。如果循环次数是变量信号，则循环次数是开始执行 repeat 循环时变量信号的值。即便执行期间，循环次数代表的变量信号值发生了变化，repeat 执行次数也不会改变。
// repeat 循环语句
reg [3:0] counter3 ;
initial begin
counter3 = 'b0 ;
repeat (11) begin //重复11次
#10 ;
counter3 = counter3 + 1'b1 ;
end
endforever 相当于 while(1) 。
通常，forever 循环是和时序控制结构配合使用的。
reg clk ;
initial begin
clk = 0 ;
forever begin
clk = ~clk ;
#5 ;
end
endassign（过程赋值操作）与 deassign （取消过程赋值操作）表示第一类过程连续赋值语句。赋值对象只能是寄存器或寄存器组，而不能是 wire 型变量。
一个带复位端的 D 触发器的两种写法：
一般写法：
module dff_normal(
input rstn,
input clk,
input D,
output reg Q
);
always @(posedge clk or negedge rstn) begin
if(!rstn) begin //Q = 0 after reset effective
Q <= 1'b0 ;
end
else begin
Q <= D ; //Q = D at posedge of clock
end
end
endmodule用 assign 与 deassign 改写：
module dff_assign(
input rstn,
input clk,
input D,
output reg Q
);
always @(posedge clk) begin
Q <= D ; //Q = D at posedge of clock
end
always @(negedge rstn) begin
if(!rstn) begin
assign Q = 1'b0 ; //change Q value when reset effective
end
else begin //cancel the Q value overlay,
deassign Q ; //and Q remains 0-value until the coming of clock posedge
end
end
endmoduleforce （强制赋值操作）与 release（取消强制赋值）表示第二类过程连续赋值语句。
赋值对象可以是 reg 型变量，也可以是 wire 型变量。
当 force 作用在寄存器上时，寄存器当前值被覆盖；release 时该寄存器值将继续保留强制赋值时的值。之后，该寄存器的值可以被原有的过程赋值语句改变。
当 force 作用在线网上时，线网值也会被强制赋值。但是，一旦 release 该线网型变量，其值马上变为原有的驱动值。
结构建模方式有 3 类描述语句： Gate（门级）例化语句，UDP (用户定义原语)例化语句和 module (模块) 例化语句。
模块格式：
module module_name
#(parameter_list)
(port_list) ;
Declarations_and_Statements ;
endmodule
端口类型有 3 种： 输入（input），输出（output）和双向端口（inout）。
input、inout 类型不能声明为 reg 数据类型，因为 reg 类型是用于保存数值的，而输入端口只能反映与其相连的外部信号的变化，不能保存这些信号的值。
output 可以声明为 wire 或 reg 数据类型。
在 Verilog 中，端口隐式的声明为 wire 型变量，即当端口具有 wire 属性时，不用再次声明端口类型为 wire 型。但是，当端口有 reg 属性时，则 reg 声明不可省略。
以下 2 种写法等效：
module pad(
input DIN, OEN ,
input [1:0] PULL ,
inout PAD ,
output reg DOUT
);
module pad(
input DIN, OEN ,
input [1:0] PULL ,
inout PAD ,
output DOUT
);
reg DOUT ;包含有 inout 端口类型的 pad 模型：
module pad(
//DIN, pad driver when pad configured as output
//OEN, pad direction(1-input, o-output)
input DIN, OEN ,
//pull function (00,01-dispull, 10-pulldown, 11-pullup)
input [1:0] PULL ,
inout PAD ,
//pad load when pad configured as input
output reg DOUT
);
//input:(not effect pad external input logic), output: DIN->PAD
assign PAD = OEN? 'bz : DIN ;//'bz，高阻态
//input:(PAD->DOUT)
always @(*) begin
if (OEN == 1) begin //input
DOUT = PAD ;
end
else begin
DOUT = 'bz ;
end
end
//use tristate gate in Verilog to realize pull up/down function
bufif1 puller(PAD, PULL[0], PULL[1]);
//PULL = 2'b10：启用下拉，PAD被拉低到GND。
//PULL = 2'b11：启用上拉，PAD被拉高到VDD。
endmodule
命名端口连接
这种方法将需要实例化的模块端口与外部信号按照其名字进行连接，端口顺序随意，可以与引用 module 的声明端口顺序不一致。
//实例化一次 1bit 全加器
full_adder1 u_adder0(
.Ai (a[0]),
.Bi (b[0]),
.Ci (c==1'b1 ? 1'b0 : 1'b1),
.So (so_bit0),
.Co (co_temp[0]));如果某些输出端口并不需要在外部连接，例化时 可以悬空不连接，甚至删除。一般来说，input 端口在例化时不能删除，否则编译报错，output 端口在例化时可以删除。
//output 端口 Co 悬空
full_adder1 u_adder0(
.Ai (a[0]),
.Bi (b[0]),
.Ci (c==1'b1 ? 1'b0 : 1'b1),
.So (so_bit0),
.Co ());
//output 端口 Co 删除
full_adder1 u_adder0(
.Ai (a[0]),
.Bi (b[0]),
.Ci (c==1'b1 ? 1'b0 : 1'b1),
.So (so_bit0));端口连接规则
输入端口
模块例化时，从模块外部来讲， input 端口可以连接 wire 或 reg 型变量。这与模块声明是不同的，从模块内部来讲，input 端口必须是 wire 型变量。
输出端口
模块例化时，从模块外部来讲，output 端口必须连接 wire 型变量。这与模块声明是不同的，从模块内部来讲，output 端口可以是 wire 或 reg 型变量。
输入输出端口
模块例化时，从模块外部来讲，inout 端口必须连接 wire 型变量。这与模块声明是相同的。
悬空端口
模块例化时，如果某些信号不需要与外部信号进行连接交互，我们可以将其悬空，即端口例化处保留空白即可，上述例子中有提及。
output 端口正常悬空时，我们甚至可以在例化时将其删除。
input 端口正常悬空时，悬空信号的逻辑功能表现为高阻状态（逻辑值为 z）。一般来说，建议 input 端口不要做悬空处理，无其他外部连接时赋值其常量。
位宽匹配
当例化端口与连续信号位宽不匹配时，端口会通过无符号数的右对齐或截断方式进行匹配。
假如在模块 full_adder4 中，端口 a 和端口 b 的位宽都为 4bit，则下面代码的例化结果会导致：u_adder4.a = {2'bzz, a[1:0]}, u_adder4.b = b[3:0] 。
full_adder4 u_adder4(
.a (a[1:0]), //input a[3:0]
.b (b[5:0]), //input b[3:0]
.c (1'b0),
.so (so),
.co (co));用 generate 进行模块例化
当例化多个相同的模块时，一个一个的手动例化会比较繁琐。用 generate 语句进行多个模块的重复例化，可大大简化程序的编写过程。
重复例化 4 个 1bit 全加器组成一个 4bit 全加器的代码如下：
module full_adder4(
input [3:0] a , //adder1
input [3:0] b , //adder2
input c , //input carry bit
output [3:0] so , //adding result
output co //output carry bit
);
wire [3:0] co_temp ;
//第一个例化模块一般格式有所差异，需要单独例化
full_adder1 u_adder0(
.Ai (a[0]),
.Bi (b[0]),
.Ci (c==1'b1 ? 1'b1 : 1'b0),
.So (so[0]),
.Co (co_temp[0]));
genvar i ;
generate
for(i=1; i<=3; i=i+1) begin: adder_gen
full_adder1 u_adder(
.Ai (a[i]),
.Bi (b[i]),
.Ci (co_temp[i-1]), //上一个全加器的溢位是下一个的进位
.So (so[i]),
.Co (co_temp[i]));
end
endgenerate
assign co = co_temp[3] ;
endmoduledefparam 语句
//instantiation
defparam u_ram_4x4.MASK = 7 ;
ram_4x4 u_ram_4x4
(
.CLK (clk),
.A (a[4-1:0]),
.D (d),
.EN (en),
.WR (wr), //1 for write and 0 for read
.Q (q) );带参数模块例化
ram #(.AW(4), .DW(4))
u_ram
(
.CLK (clk),
.A (a[AW-1:0]),
.D (d),
.EN (en),
.WR (wr), //1 for write and 0 for read
.Q (q)
);（5）建议，对已有模块进行实例化并将其相关参数进行改写时，不要采用 defparam 的方法。除了上述缺点外，defparam 一般也不可综合。
（6）而且建议，模块在编写时，如果预知将被实例化且有需要改写的参数，都将这些参数写入到模块端口声明之前的地方（用关键字井号 # 表示）。这样的代码格式不仅有很好的可读性，而且方便调试。
函数
函数只能在模块中定义，位置任意，并在模块的任何地方引用，作用范围也局限于此模块。函数主要有以下几个特点：
- 1）不含有任何延迟、时序或时序控制逻辑
- 2）至少有一个输入变量
- 3）只有一个返回值，且没有输出
- 4）不含有非阻塞赋值语句
- 5）函数可以调用其他函数，但是不能调用任务
Verilog 函数声明格式如下：
function [range-1:0] function_id ;
input_declaration ;
other_declaration ;
procedural_statement ;
endfunction
函数在声明时，会隐式的声明一个宽度为 range、 名字为 function_id 的寄存器变量，函数的返回值通过这个变量进行传递。当该寄存器变量没有指定位宽时，默认位宽为 1。
常数函数
常数函数是指在仿真开始之前，在编译期间就计算出结果为常数的函数。常数函数不允许访问全局变量或者调用系统函数，但是可以调用另一个常数函数。
这种函数能够用来引用复杂的值，因此可用来代替常量。
例如下面一个常量函数，可以来计算模块中地址总线的宽度：
parameter MEM_DEPTH = 256 ;
reg [logb2(MEM_DEPTH)-1: 0] addr ; //可得addr的宽度为8bit
function integer logb2;
input integer depth ;
//256为9bit，我们最终数据应该是8，所以需depth=2时提前停止循环
for(logb2=0; depth>1; logb2=logb2+1) begin
depth = depth >> 1 ;
end
endfunctionautomatic 函数
在 Verilog 中，一般函数的局部变量是静态的，即函数的每次调用，函数的局部变量都会使用同一个存储空间。若某个函数在两个不同的地方同时并发的调用，那么两个函数调用行为同时对同一块地址进行操作，会导致不确定的函数结果。
Verilog 用关键字 automatic 来对函数进行说明，此类函数在调用时是可以自动分配新的内存空间的，也可以理解为是可递归的。因此，automatic 函数中声明的局部变量不能通过层次命名进行访问，但是 automatic 函数本身可以通过层次名进行调用。
下面用 automatic 函数，实现阶乘计算：
wire [31:0] results3 = factorial(4);
function automatic integer factorial ;
input integer data ;
integer i ;
begin
factorial = (data>=2)? data * factorial(data-1) : 1 ;
end
endfunction // factorial
函数一般用于组合逻辑的各种转换和计算，而任务更像一个过程，不仅能完成函数的功能，还可以包含时序控制逻辑。
| 比较点 | 函数 | 任务 |
|---|---|---|
| 输入 | 函数至少有一个输入，端口声明不能包含 inout 型 | 任务可以没有或者有多个输入，且端口声明可以为 inout 型 |
| 输出 | 函数没有输出 | 任务可以没有或者有多个输出 |
| 返回值 | 函数至少有一个返回值 | 任务没有返回值 |
| 仿真时刻 | 函数总在零时刻就开始执行 | 任务可以在非零时刻执行 |
| 时序逻辑 | 函数不能包含任何时序控制逻辑 | 任务不能出现 always 语句，但可以包含其他时序控制，如延时语句 |
| 调用 | 函数只能调用函数，不能调用任务 | 任务可以调用函数和任务 |
| 书写规范 | 函数不能单独作为一条语句出现，只能放在赋值语言的右端 | 任务可以作为一条单独的语句出现语句块中 |
任务在模块中任意位置定义，并在模块内任意位置引用，作用范围也局限于此模块。
Verilog 任务声明格式如下：
task task_id ;
port_declaration ;
procedural_statement ;
endtask
进行任务的逻辑设计时，可以把 input 声明的端口变量看做 wire 型，把 output 声明的端口变量看做 reg 型。但是不需要用 reg 对 output 端口再次说明。
对 output 信号赋值时也不要用关键字 assign。为避免时序错乱，建议 output 信号采用阻塞赋值。
例如，一个带延时的异或功能 task 描述如下：
task xor_oper_iner;
input [N-1:0] numa;
input [N-1:0] numb;
output [N-1:0] numco ;
//output reg [N-1:0] numco ; //无需再注明 reg 类型，虽然注明也可能没错
#3 numco = numa ^ numb ;
//assign #3 numco = numa ^ numb ; //不用assign，因为输出默认是reg
endtask任务在声明时，也可以在任务名后面加一个括号，将端口声明包起来：
task xor_oper_iner（
input [N-1:0] numa,
input [N-1:0] numb,
output [N-1:0] numco ） ;
#3 numco = numa ^ numb ;
endtask输入端连接的模块内信号可以是 wire 型，也可以是 reg 型。输出端连接的模块内信号要求一定是 reg 型，这点需要注意。
任务操作全局变量
因为任务可以看做是过程性赋值，所以任务的 output 端信号返回时间是在任务中所有语句执行完毕之后。
任务内部变量也只有在任务中可见，如果想具体观察任务中对变量的操作过程，需要将观察的变量声明在模块之内、任务之外，可谓之"全局变量"。
//use task to operate global varialbes to generating clk
reg clk_test2 ;
task clk_rvs_global ;
# 5 ; clk_test2 = 0 ;
# 5 ; clk_test2 = 1 ;
endtask // clk_rvs_iner
always clk_rvs_global;automatic 任务
和函数一样，Verilog 中任务调用时的局部变量都是静态的。可以用关键字 automatic 来对任务进行声明，那么任务调用时各存储空间就可以动态分配，每个调用的任务都各自独立的对自己独有的地址空间进行操作，而不影响多个相同任务调用时的并发执行。
如果一任务代码段被 2 处及以上调用，一定要用关键字 automatic 声明。
task automatic test_flag ;
有限状态机（Finite-State Machine，FSM），简称状态机。
Moore 型状态机
Moore 型状态机的输出只与当前状态有关，与当前输入无关。
输出会在一个完整的时钟周期内保持稳定，即使此时输入信号有变化，输出也不会变化。输入对输出的影响要到下一个时钟周期才能反映出来。这也是 Moore 型状态机的一个重要特点：输入与输出是隔离开来的。
Mealy 型状态机
Mealy 型状态机的输出，不仅与当前状态有关，还取决于当前的输入信号。
Mealy 型状态机的输出是在输入信号变化以后立刻发生变化，且输入变化可能出现在任何状态的时钟周期内。
IDLE状态通常被用作状态机的一个状态，表示系统处于空闲、等待或初始状态。
-
Mealy 的输出条件可基于 状态转移前的状态和当前输入，在输入满足时 立即触发输出（即使状态转移尚未完成）。
-
Moore 的输出必须等待 状态迁移到目标状态，导致输出比 Mealy 型 多一个时钟周期的延迟。
- 在组合逻辑电路中，不同路径的输入信号变化传输到同一点门级电路时，在时间上有先有后，这种先后所形成的时间差称为竞争（Competition）。
- 由于竞争的存在，输出信号需要经过一段时间才能达到期望状态，过渡时间内可能产生瞬间的错误输出，例如尖峰脉冲。这种现象被称为冒险（Hazard）。
- 竞争不一定有冒险，但冒险一定会有竞争。
判断方法：
- 代数法
- 卡诺图法
消除方法
- 增加滤波电容，滤除窄脉冲
-
修改逻辑，增加冗余项
-
使用时钟同步电路，利用触发器进行打拍延迟
-
采用格雷码计数器
din_rvs 和 en 被寄存到 din_rvs_r 和 en_r，延迟一个时钟周期。Verilog 书写规范
- 1）时序电路建模时，用非阻塞赋值。
- 2）组合逻辑建模时，用阻塞赋值。
- 3）在同一个 always 块中建立时序和组合逻辑模型时，用非阻塞赋值。
- 4）在同一个 always 块中不要既使用阻塞赋值又使用非阻塞赋值。
- 5）不要在多个 always 块中为同一个变量赋值。
- 6）避免 latch 产生。
Verilog 中不允许在多个 always 块中为同一个变量赋值。也不允许 assign 语句为同一个变量进行多次连线赋值。
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