FPGA_DAY5_语句块
FPGA_DAY5_过程赋值到过程连续赋值
关键词：阻塞赋值，非阻塞赋值，并行
过程性赋值是在 initial 或 always 语句块里的赋值，赋值对象是寄存器、整数、实数等类型。
这些变量在被赋值后，其值将保持不变，直到重新被赋予新值。
连续性赋值总是处于激活状态，任何操作数的改变都会影响表达式的结果；过程赋值只有在语句执行的时候，才会起作用。这是连续性赋值与过程性赋值的区别。
Verilog 过程赋值包括 2 种语句：阻塞赋值与非阻塞赋值。
阻塞赋值
阻塞赋值属于顺序执行，即下一条语句执行前，当前语句一定会执行完毕。
阻塞赋值语句使用等号 = 作为赋值符。
前面的仿真中，initial 里面的赋值语句都是用的阻塞赋值。
非阻塞赋值
非阻塞赋值属于并行执行语句，即下一条语句的执行和当前语句的执行是同时进行的，它不会阻塞位于同一个语句块中后面语句的执行。
非阻塞赋值语句使用小于等于号 <= 作为赋值符。
使用非阻塞赋值避免竞争冒险
上述仿真代码只是为了让读者更好的理解阻塞赋值与非阻塞赋值的区别。实际 Verilog 代码设计时，切记不要在一个过程结构中混合使用阻塞赋值与非阻塞赋值。两种赋值方式混用时，时序不容易控制，很容易得到意外的结果。
更多时候，在设计电路时，always 时序逻辑块中多用非阻塞赋值，always 组合逻辑块中多用阻塞赋值；在仿真电路时，initial 块中一般多用阻塞赋值。
如下所示，为实现在时钟上升沿交换 2 个寄存器值的功能，在 2 个 always 块中使用阻塞赋值。
因为 2 个 always 块中的语句是同时进行的，但是 a=b 与 b=a 是无法判定执行顺序的，这就造成了竞争的局面。
但不管哪个先执行（和编译器等有关系），不考虑 timing 问题时，他们执行顺序总有先后，最后 a 与 b 的值总是相等的。没有达到交换 2 个寄存器值的效果。
always @(posedge clk) begin
a = b ;
end
always @(posedge clk) begin
b = a;
end
always @(posedge clk) begin
temp = a ;
a = b ;
b = temp ;
end
关键词：时延控制，事件触发，边沿触发，电平触发
Verilog 提供了 2 大类时序控制方法：时延控制和事件控制。事件控制主要分为边沿触发事件控制与电平敏感事件控制。
时延控制
基于时延的时序控制出现在表达式中，它指定了语句从开始执行到执行完毕之间的时间间隔。
时延可以是数字、标识符或者表达式。
根据在表达式中的位置差异，时延控制又可以分为常规时延与内嵌时延。
常规时延
遇到常规延时时，该语句需要等待一定时间，然后将计算结果赋值给目标信号。
格式为：#delay procedural_statement，例如：
reg value_test ;
reg value_general ;
#10 value_general = value_test ;
//或者
#10 ;
value_ single = value_test ;
内嵌时延
遇到内嵌延时时，该语句先将计算结果保存，然后等待一定的时间后赋值给目标信号。
内嵌时延控制加在赋值号之后。例如：
reg value_test ;
reg value_embed ;
value_embed = #10 value_test ;
需要说明的是，这 2 种时延控制方式的效果是有所不同的。
当延时语句的赋值符号右端是常量时，2 种时延控制都能达到相同的延时赋值效果。
当延时语句的赋值符号右端是变量时，2 种时延控制可能会产生不同的延时赋值效果。
`timescale 1ns/1ns
module test ;
reg value_test ;
reg value_general, value_embed, value_single ;
//signal source
initial begin
value_test = 0 ;
#25 ; value_test = 1 ;
#35 ; value_test = 0 ; //absolute 60ns
#40 ; value_test = 1 ; //absolute 100ns
#10 ; value_test = 0 ; //absolute 110ns
end
//(1)general delay control
initial begin
value_general = 1;
#10 value_general = value_test ; //10ns, value_test=0
#45 value_general = value_test ; //55ns, value_test=1
#30 value_general = value_test ; //85ns, value_test=0
#20 value_general = value_test ; //105ns, value_test=1
end
//(2)embedded delay control
initial begin
value_embed = 1;
value_embed = #10 value_test ; //0ns, value_test=0
value_embed = #45 value_test ; //10ns, value_test=0
value_embed = #30 value_test ; //55ns, value_test=1
value_embed = #20 value_test ; //85ns, value_test=0
end
//(3)single delay control
initial begin
value_single = 1;
#10 ;
value_single = value_test ; //10ns, value_test=0
#45 ;
value_single = value_test ; //55ns, value_test=1
#30 ;
value_single = value_test ; //85ns, value_test=0
#20 ;
value_single = value_test ; //105ns, value_test=1
end
always begin
#10;
if ($time >= 150) begin
$finish ;
end
end
endmodule
边沿触发事件控制
在 Verilog 中，事件是指某一个 reg 或 wire 型变量发生了值的变化。
基于事件触发的时序控制又主要分为以下几种。
一般事件控制
事件控制用符号 @ 表示。
语句执行的条件是信号的值发生特定的变化。
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。例如：
//信号clk只要发生变化，就执行q<=d，双边沿D触发器模型
always @(clk) q <= d ;
//在信号clk上升沿时刻，执行q<=d，正边沿D触发器模型
always @(posedge clk) q <= d ;
//在信号clk下降沿时刻，执行q<=d，负边沿D触发器模型
always @(negedge clk) q <= d ;
//立刻计算d的值，并在clk上升沿时刻赋值给q，不推荐这种写法
q = @(posedge clk) d ;
命名事件控制
用户可以声明 event（事件）类型的变量，并触发该变量来识别该事件是否发生。命名事件用关键字 event 来声明，触发信号用 -> 表示。例如：
event start_receiving ;
always @( posedge clk_samp) begin
-> start_receiving ; //采样时钟上升沿作为时间触发时刻
end
always @(start_receiving) begin
data_buf = {data_if[0], data_if[1]} ; //触发时刻，对多维数据整合
end
敏感列表
当多个信号或事件中任意一个发生变化都能够触发语句的执行时，Verilog 中使用"或"表达式来描述这种情况，用关键字 or 连接多个事件或信号。这些事件或信号组成的列表称为"敏感列表"。当然，or 也可以用逗号 , 来代替。例如：
//带有低有效复位端的D触发器模型
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
当组合逻辑输入变量很多时，那么编写敏感列表会很繁琐。此时，更为简洁的写法是 @* 或 @(*)，表示对语句块中的所有输入变量的变化都是敏感的。例如：
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
电平敏感事件控制
前面所讨论的事件控制都是需要等待信号值的变化或事件的触发，使用 @+敏感列表 的方式来表示的。
Verilog 中还支持使用电平作为敏感信号来控制时序，即后面语句的执行需要等待某个条件为真。Verilog 中使用关键字 wait 来表示这种电平敏感情况。例如：
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
语句块
关键词：顺序块，并行块，嵌套块，命名块，disable
Verilog 语句块提供了将两条或更多条语句组成语法结构上相当于一条一句的机制。主要包括两种类型：顺序块和并行块。
顺序块
顺序块用关键字 begin 和 end 来表示。
顺序块中的语句是一条条执行的。当然，非阻塞赋值除外。
顺序块中每条语句的时延总是与其前面语句执行的时间相关。
在本节之前的仿真中，initial 块中的阻塞赋值，都是顺序块的实例。
并行块
并行块有关键字 fork 和 join 来表示。
并行块中的语句是并行执行的，即便是阻塞形式的赋值。
并行块中每条语句的时延都是与块语句开始执行的时间相关。
`timescale 1ns/1ns
module test ;
reg [3:0] ai_sequen2, bi_sequen2 ;
reg [3:0] ai_paral2, bi_paral2 ;
initial begin
ai_sequen2 = 4'd5 ; //at 0ns
fork
#10 ai_paral2 = 4'd5 ; //at 10ns
#15 bi_paral2 = 4'd8 ; //at 15ns
join
#20 bi_sequen2 = 4'd8 ; //at 35ns
end
endmodule
嵌套块
顺序块和并行块还可以嵌套使用。
命名块
我们可以给块语句结构命名。
命名的块中可以声明局部变量，通过层次名引用的方法对变量进行访问。
`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
endmodule
条件语句
关键词：if，选择器
条件语句
条件（if）语句用于控制执行语句要根据条件判断来确定是否执行。
条件语句用关键字 if 和 else 来声明，条件表达式必须在圆括号中。
if (condition1) true_statement1 ;
else if (condition2) true_statement2 ;
else if (condition3) true_statement3 ;
else default_statement ;
-
if 语句执行时，如果 condition1 为真，则执行 true_statement1 ；如果 condition1 为假，condition2 为真，则执行 true_statement2；依次类推。
-
else if 与 else 结构可以省略，即可以只有一个 if 条件判断和一组执行语句 ture_statement1 就可以构成一个执行过程。
-
else if 可以叠加多个，不仅限于 1 或 2 个。
-
ture_statement1 等执行语句可以是一条语句，也可以是多条。如果是多条执行语句，则需要用 begin 与 end 关键字进行说明。
条件语句中加入 begin 与 and 关键字就是一个很好的习惯。
例如上述代码稍作修改，就不会再有书写上的歧义。
if(en) begin
if(sel == 2'b1) begin
sout = p1s ;
end
else begin
sout = p0 ;
end
end
多路分支
关键词：case，选择器
case 语句是一种多路条件分支的形式，可以解决 if 语句中有多个条件选项时使用不方便的问题。
case 语句
case 语句格式如下：
case(case_expr)
condition1 : true_statement1 ;
condition2 : true_statement2 ;
……
default : default_statement ;
endcase
case 语句执行时，如果 condition1 为真，则执行 true_statement1 ; 如果 condition1 为假，condition2 为真，则执行 true_statement2；依次类推。如果各个 condition 都不为真，则执行 default_statement 语句。
default 语句是可选的，且在一个 case 语句中不能有多个 default 语句。
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。虽然这些条件选项是并发比较的，但执行效果是谁在前且条件为真谁被执行。
ture_statement1 等执行语句可以是一条语句，也可以是多条。如果是多条执行语句，则需要用 begin 与 end 关键字进行说明。
module mux4to1(
input [1:0] 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 @(*)
case(sel)
2'b00: begin
sout_t = p0 ;
end
2'b01: sout_t = p1 ;
2'b10: sout_t = p2 ;
default: sout_t = p3 ;
endcase
assign sout = sout_t ;
endmodule
case 语句中的条件选项表单式不必都是常量，也可以是 x 值或 z 值。
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。
但是 case 语句中的 x 或 z 的比较逻辑是不可综合的，所以一般不建议在 case 语句中使用 x 或 z 作为比较值。
例如，对 4 路选择器的 case 语句进行扩展，举例如下：
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!!!");
endcase
casex/casez 语句
casex、 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。
两者的实现的功能是完全一致的，语法与 case 语句也完全一致。
但是 casex、casez 一般是不可综合的，多用于仿真。
例如用 casez 语句来实现一个 4bit 控制端的 4 路选择选择器。
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
关键词：while, for, repeat, forever
Verilog 循环语句有 4 种类型，分别是 while，for，repeat，和 forever 循环。循环语句只能在 always 或 initial 块中使用，但可以包含延迟表达式。
while 循环
while 循环语法格式如下：
while (condition) begin
…
end
while 循环中止条件为 condition 为假。
如果开始执行到 while 循环时 condition 已经为假，那么循环语句一次也不会执行。
当然，执行语句只有一条时，关键字 begin 与 end 可以省略。
下面代码执行时，counter 执行了 11 次。
for循环
for(initial_assignment; condition ; step_assignment) begin
…
end
initial_assignment 为初始条件。
condition 为终止条件，condition 为假时，立即跳出循环。
step_assignment 为改变控制变量的过程赋值语句，通常为增加或减少循环变量计数。
一般来说，因为初始条件和自加操作等过程都已经包含在 for 循环中，所以 for 循环写法比 while 更为紧凑，但也不是所有的情况下都能使用 for 循环来代替 while 循环。
下面 for 循环的例子，实现了与 while 循环中例子一样的效果。需要注意的是，i = i + 1 不能像 C 语言那样写成 i++ 的形式，i = i -1 也不能写成 i -- 的形式。
// 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
end
repeat 循环
repeat 循环语法格式如下：
repeat (loop_times) begin
…
end
repeat 的功能是执行固定次数的循环，它不能像 while 循环那样用一个逻辑表达式来确定循环是否继续执行。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。
下面 repeat 循环例子，实现了与 while 循环中的例子一样的效果。
// 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
end
forever 循环
forever 循环语法格式如下
forever begin
…
end
forever 语句表示永久循环，不包含任何条件表达式，一旦执行便无限的执行下去，系统函数 $finish 可退出 forever。
forever 相当于 while(1) 。
通常，forever 循环是和时序控制结构配合使用的。
例如，使用 forever 语句产生一个时钟：
reg clk ;
initial begin
clk = 0 ;
forever begin
clk = ~clk ;
#5 ;
end
end
例如，使用 forever 语句实现一个时钟边沿控制的寄存器间数据传输功能：
reg clk ;
reg data_in, data_temp ;
initial begin
forever @(posedge clk) data_temp = data_in ;
end
关键词：deassign，force，release
过程连续赋值是过程赋值的一种。这种赋值语句能够替换其他所有 wire 或 reg 的赋值，改写了 wire 或 reg 型变量的当前值。
与过程赋值不同的是，过程连续赋值的表达式能被连续的驱动到 wire 或 reg 型变量中，即过程连续赋值发生作用时，右端表达式中任意操作数的变化都会引起过程连续赋值语句的重新执行。
过程连续性赋值主要有 2 种，assign-deassign 和 force-release。
assign, deassign
assign（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。
赋值过程中对寄存器连续赋值，寄存器中的值被保留直到被重新赋值。
例如，一个带复位端的 D 触发器可以用下面代码描述：
force, release
force （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。
使用方法和效果，和 assign 与 deassign 类似，但赋值对象可以是 reg 型变量，也可以是 wire 型变量。
因为是无条件强制赋值，一般多用于交互式调试过程，不要在设计模块中使用。
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。
为直观的观察两种类型变量强制赋值的区别，利用第一节中的计数器 counter10 作为设计模块，testbench 设计如下。
浙公网安备 33010602011771号