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前言

本文记录了Verilog语言的入门基础知识，并通过一些代码实例帮助大家上手，主要基于Xilinx Vivado完成，以下个人学习经验仅供参考。

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一、Verilog入门教程

1.基础语法

（1）关键字必须小写，如reg、input

（2）标识符区分大小写，开头必须是字母或下划线，如CLK、clk（两者不同）

（3）每行必须以；结束

（4）单行注释用//xxx，跨行注释用/* xxx */

2.数值表示

（1）基本数值种类：0（0 或 假）、1（1 或 真）、x/X（未知）、z/Z（高阻）

（2）整数基数格式：二进制（'b 或 'B），八进制（'o 或 'O），十进制（'d 或 'D），十六进制（'h 或 'H）

（3）整数表示方法：4’b1001（指明位宽，4位二进制“1001”）或100（不指明位宽，默认十进制“100”）

（4）负数表示方法：-4’b1001（指明位宽时）或-100（不指明位宽时）

（5）实数表示方法：十进制（0.001）或科学记数法（1.2e4）

（6）字符串表示方法：需要定义相应大小的存储单元，比如字符串"www.csdn.net"需要12*8bit的存储单元，代码如下：

reg [12*8-1:0] str;
assign str = "www.csdn.net";

3.数据类型

（1）线网：wire，表示硬件单元之间的物理连线，由其连接的器件输出端连续驱动

（2）寄存器：reg，表示存储单元，它会保持数据原有的值直到被改写

（3）向量：当位宽大于 1 时线网或寄存器即可表示向量，举例如下：

wire [8-1:0] addr;
reg [8-1:0] addr_temp;
addr_temp[7:6] = addr[1:0] + 1'b1 ;

（4）整数：用integer声明，注意变量为有符号数

（5）实数：用 real 声明，十进制或科学计数法表示

（6）时间：用time声明， 通过调用系统函数 $time 获取当前时间

（7）数组：数组中的每个元素都可视为一个标量或者向量，形如[]，举例如下：

integer flag [7:0] ; //8个整数组成的数组flag
reg [3:0] counter [3:0] ; //4个4位reg型变量组成的数组counter
wire [7:0] addr [3:0] ; //4个8位wire型变量组成的数组addr
flag [1] = 32'd0 ; //将flag中第2个元素赋值为32位的0值
counter [3] = 4'hF ;  //将counter中第4个元素赋值为4位的十六进制数F
assign addr [0] = 8'b0 ; //将addr中第1个元素赋值为0

（8）参数：用parameter或localparam声明，表示常量

4.表达式

（1）表达式：由操作符和操作数构成，目的是根据操作符的意义得到一个计算结果

（2）操作数：可以是任意数据类型，如常数、整数、实数、线网、寄存器、时间、函数等

（3）操作符：包括算术、关系、等价、逻辑、按位、归约、移位、拼接、条件操作符等，圆括号内表达式优先执行，同类型操作符之间除条件操作符从右往左关联，其余操作符都是自左向右关联

（4）算术操作符：包括单目操作符（“+”、“-”，表示操作数正负，优先级最高）和双目操作符（加“+”、减“-”、乘“*”、除“/”、求幂（两个星号）、取模“%”）

（5）关系操作符：大于“>”、小于“ =”、小于等于“< =”，结果为真“1”或假“0”

（6）等价操作符：逻辑相等“= =”、逻辑不等“! =”、全等”= = =“、非全等“! = =”，结果为真“1”或假“0”

（7）逻辑操作符：逻辑与“& &”、逻辑或“| |”、逻辑非“!”

（8）按位操作符：取反“~ ”、与“&”、或“|”、异或“^”、同或“~ ^”

（9）归约操作符：归约与“&”、归约与非“~ &”、归约或“|”、归约或非“~ |”、归约异或“^”、归约同或“~ ^”

（10）移位操作符：左移“<>”、算术左移“<<>>”

（11）拼接操作符：用大括号 {，} 表示，用于将多个操作数拼接成新的操作数，每个操作数必须指定位宽

（12）条件操作符：判断条件condition是否满足，满足执行true对应语句，不满足执行false对应语句，可嵌套执行多次判断，格式如下：

condition ? true : false

5.编译指令

（1）宏定义编译指令（与C一致）

`define

`undef

（2）条件编译指令（与C一致）

`ifdef

`ifndef

`else

`elsif

`endif

（3）`include：用于将全局或公用头文件包含在设计文件里，使用相对或绝对路径皆可

（4）`timescale：定义时间单位和时间精度，两者都是由数字和单位（s、ms、us、ns、ps、fs）组成，时间精度大小小于等于时间单位大小，举例如下：

`timescale 1ns/100ps     //合法
//`timescale 100ps/1ns   //不合法

（5）`resetall：将所有编译指令重设为缺省值

（6）单元模块定义（cell）

`celldefine

`endcelldefine

举例如下：

`celldefine
module (
    input      clk,
    input      rst,
    output   A,
    output   B );
endmodule
`endcelldefine

6.过程结构

（1）initial语句：
initial语句从0时刻开始执行，单次执行，多个语句之间并行执行，单个语句内顺序执行；
块内包含多个语句时需要使用关键字begin和end，只有一条语句时可不用

（2）always语句：
always语句从0时刻开始执行，重复执行，多个语句之间并行执行，单个语句内顺序执行；
块内包含多个语句时需要使用关键字begin和end，只有一条语句时可不用

7.过程赋值

（1）阻塞赋值“=”：语句顺序执行，即下一条语句执行前当前语句一定会执行完毕

（2）非阻塞赋值“<=”：语句并行执行，即其他语句的执行和当前语句的执行同时进行

8.语句块

（1）顺序块：块中语句顺序执行，但非阻塞赋值仍按并行执行，用begin & end表示

（2）并行块：块中语句并行执行，包括阻塞赋值，用fork & join表示

（3）嵌套块：顺序块+并行块

（4）命名块：给块语句结构命名，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，格式如下：

module test;
	initial begin: A //块命名为A，disable后禁用命名块
		integer B; //变量B可通过text.A.B被其他模块调用
	end
endmodule

9.连续赋值语句

连续赋值语句“assign”用于对wire型变量进行赋值，格式如下：

wire      z, x, y;
assign  z = x & y;  //只要x、y改变z就会相应改变，注意z必须是wire型变量，x、y可以是wire型或reg型变量

10.延时语句

（连续赋值）延时语句“assign #time”用于控制任意操作数发生变化到语句左端赋予新值之间的延时时间，格式如下：

wire z, x, y;
assign #10 z = x & y; //延时10个时间单位后赋值，若信号脉冲宽度小于延时则对输出无影响，称为惯性延时

11.时序控制

（1）延时控制：包括常规延时控制与内嵌延时控制

常规延时格式为：（先延时再赋值，无惯性延时问题）

#10;
y = x; //或直接合并为#10 y = x;

内嵌延时格式为：（先赋值再延时，有惯性延时问题）

y = #10 x;

（2）事件控制：包括边沿触发事件控制与电平敏感事件控制

边沿触发事件格式为：

always @(posedge clk or negedge rst_n) //用@表示边沿触发条件，只有当信号发生特定变化时才能继续执行语句A
	begin
		A;
	end

posedge指信号边沿正向跳变时触发，negedge指信号边沿负向跳变时触发，未指明时正负边沿跳变都会触发；
用关键字or连接多个变量，当变量很多时可简写为@(*)，表示对所有输入变量的边沿跳变都会触发；
命名事件控制是一种特殊的事件控制，用关键字event声明并触发该变量来识别该事件是否发生，格式如下：

event A;
always @(posedge clk) begin //clk上升沿作为A触发
	-> A; //->表示触发
	end
always @(A) begin //A触发时执行B
	B;
	end

电平敏感事件格式为：

wait (x); //x为电平敏感条件，只有当电平敏感条件为真时才能继续执行语句A
	begin
		A;
	end

12.条件语句

条件语句“if”用于根据条件判断是否执行相应语句，格式如下：

if (x) A; //如果满足条件x则执行A语句（若语句不只一行则应用“ begin A end; ”格式）
else if (y) B; //如果满足条件y则执行B语句（else if可有多级或者没有）
else C; //否则执行C语句

13.多路分支语句

多路分支语句"case"用于解决if语句中条件选项过多时使用不方便的问题，格式如下：

case (variable)
	x : A; //variable = x时执行A语句（若语句不只一行则应用“ begin A end; ”格式）
	y : B; //variable = y时执行B语句（除x、y还可以有多级case）
	default : Z; //default语句可没有

14.循环语句

（1）while循环语句（所有循环语句只能在“always”或“initial”块中使用）

while  (x) 
	begin
		A; //满足x条件时执行A语句，A只有一行时begin & end可省略
	end

（2）for循环语句

for (x; y; z) //x为初始条件，y为终止条件，z为控制变量的过程赋值语句，注意增加或减少变量计数不能写成 i++或i--
	begin
		A;
	end

（3）repeat循环语句

repeat (n) //执行固定次数n个循环
	begin
		A;
	end

（4）forever循环语句

forever //相当于while(1)，表示永久循环，通过系统函数$finish退出
	begin
		A;
	end

15.过程连续赋值

（1）assign（过程赋值） & deassign（取消过程赋值）：
赋值对象只能是reg型变量而不能是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

（2）force（强制赋值） & release（取消强制赋值）：
赋值对象可以是reg型或wire型变量；
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；
force作用在线网上时，线网当前值被覆盖，但release时该线网值马上变为原有的驱动值

16.数值转换

（1）十进制有符号数转二进制补码：
正数的补码为原码；
负数的补码有两种计算方式：
a、将有符号数最高位符号位改写为1，剩余数值部分取反加1
比如4位数字-7的数值部分为4’b0111，高位改写后为4’b1111，剩余数值部分取反加1后为4’b1001
b、将有符号数直接与其代表的最大数值范围相加
比如4位数字-7与16（2的4次幂）的和为9， 即对应4’b1001

（2）二进制补码转十进制有符号数：
补码最高位为0时其数值大小即为表示的十进制正数；
补码最高位为1时有两种计算方式：
a、将补码取反加1，并增加符号位
比如4位数字-7的补码为4’b1001，取反加1后为4’b0111，增加符号位后为-7
b、将补码对应的无符号数与其代表的最大数值范围相减
比如4位数字-7的补码为4’b1001，无符号数为9，9-16=-7

（3）求二进制补码的绝对值：
将补码取反加1，比如4位数字-7的补码为4’b1001，取反加1后为4’b0111，即7

（4）符号位扩展：
将代表符号位的最高位填充至扩展的高位数据位中，比如4’b1011（-7）扩展到8位为8’b11111010（-7）

二、Verilog实例分享

1.计算数据位数

代码如下：

function integer log2(input integer n);
	integer i;     
	for( i=0; 2**i<=n; i=i+1) 
		log2 = i + 1;
endfunction

假设n=15(0000 1111)，那么log2=4，也就是4位；
假设n=16(0001 0000)，那么log2=5，也就是5位。

2.多次判断

代码如下：

reg x;
x <= ((x == 4'd0)	?	A	:	((x == 4'd1)	?	B	:	((x == 4'd2)	?	C	:	D)));

变量x为4’d0执行A语句，为4’d1执行B语句，为4’d2执行C语句，否则执行D语句。

3.循环计数

代码如下：

(*mark_debug = "true"*)reg	[5:0] CNT;
always @ (posedge CLK or negedge RST)
begin
	if(!RST)
		CNT	<=	1'b0;
	else
		CNT	<=	(CNT==最大计数-1) ? 1'd0 : CNT + 1'd1;
end

“最大计数”位置应给定一个值，CNT将在0~最大计数区间内循环+1。注意第一句(mark_debug = “true”)表示监视该变量。

4.捕捉上升&下降沿

代码如下：

reg triger, triger_dly1, triger_dly2;
always @ (posedge CLK or negedge RST)
begin
	if(!RST)
		begin
			triger_dly1 <= 1'b0;
			triger_dly2 <= 1'b0;
		end
	else
		begin
			triger_dly1 <= triger;
			triger_dly2 <= triger_dly1;
		end
end
wire posedge_triger = triger_dly1 && (~triger_dly2);
wire negedge_triger = (~triger_dly1) && triger_dly2;

对triger延时1拍和2拍产生triger_dly1和triger_dly2变量，triger_dly1为上升沿时通过posedge_triger捕捉，triger_dly2为下降沿时通过negedge_triger捕捉。

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总结

如果文章中有错误或疏漏之处烦请指正，希望大家多交流共同进步！