一文详解Verilog HDL

一、Verilog HDL 概述

1、Verilog HDL 是什么

Verilog HDL（Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。现实生活中多用于专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）和现场可编程门阵列（Field Programmabl Gate Array，FPGA）的实现。

2、Verilog HDL产生的背景

第一只晶体管出现后，数字集成电路设计密度越来越大、电路越来越复杂，传统的画图或连线的设计方法已不再适用。

例如：设计4位移位寄存器，仅需简短几行代码完成。

module register_four(

input clk,

input Reset,

input din,

output reg [3:0] qout

);

always @(posedge clk or posedge Reset)begin

if(Reset)

qout <= 4'b0;

else

qout <= {qout[2:0],din};

end

endmodule

若要将4位移位寄存器改为8位移位寄存器，仅需修改少量代码。

module register_eight(

input clk,

input Reset,

input din,

output reg [7:0] qout

);

always @(posedge clk or posedge Reset)begin

if(Reset)

qout <= 8'b0000_0000;

else

qout <= {qout[6:0],din};

end

endmodule

由上例可直观发现，Verilog HDL可用较少的语句描述较为复杂的电路和灵活的可扩展性，为数字集成电路设计带来了极大的便捷。

3、Verilog HDL 和 VHDL的区别

目前，Verilog HDL 和 VHDL（VHSIC Hardware Description Language，VHSIC 为 Very High Speed Integrated Circuit）是最为常用的硬件描述语音。

Verilog HDL：

语法灵活、宽松，多被思维活跃的美国人采用。因Verilog HDL 语法宽松，其不适合对系统要求层次严格的大规模设计。

VHDL：

语法结构紧凑、严谨，多被思维欧洲人采用。VHDL在大规模数字集成电路设计中具有一定优势。

注：

Verilog基于C语言发展而来，语法灵活、宽松，且国内开发人员多采用Verilog，对初学者较为友好。

二、Verilog HDL 基础知识

1、Verilog HDL 语言要素

1.1、命名规则

在Verilog HDL 中，标识符背用来命名信号、模块、参数等，它可以是任意一组字母、数字、$符号和_(下划线）符号的组合。

注：标识符中字母区分大小写，且第一个字必须是字母或下划线。

1.2、注释符

单行注释：单行注释以“//”开始，Verilog HDL忽略此处到行尾的内容。

多行注释：多行注释采用“/**/”,从“/”开始，到“/”结束，Verilog HDL忽略其中注释的内容。

注：多行注释不允许嵌套，但单行注释可以嵌套在多行注释中。

例如：

非法多行注释：

/*注释内容/*多行注释嵌套多行注释*/注释内容*/

合法多行注释：

/*注释内容//多行注释嵌套单行注释*/

1.3、关键字

Verilog HDL 内部已经使用的词成为关键字或保留字，是事先定义好的确认符，用来组织语言结构。

注：Verilog HDL中所有的关键字都是小写的。

1.4、数值

Verilog HDL 有四种基本的电平逻辑数值状态，用数字或字符表达数字电路中传送的逻辑状态和存储信息。Verilog HDL逻辑数值中，“x”和“z”都不区分大小写，即0x1z与0X1Z等价。

在数值中，下划线符号“_”除不能放于首位外，可随意用在整数与实数中，对数值的大小无影响，仅为提高可读性。

例如：

8’b00110010 与8’b0011_0010的数值大小相等。

1.4.1、整数及其表示

整数的表示形式：

+/-'

（1）“+/-”：正数和负数的标识。

（2）size：换算过后二进制的宽度。

（3）“ ’ ”：为基数格式表示固有字符，该字符不能缺省，否则为非法表示形式。

（4）base_format:基数符号。

（5）number:可使用的数字字符集。

例如：

4'b0011

7'd32

8'hfd

1.4.2、实数及其表示

（1）十进制表示法。

（2）科学计数发。例如：758.4e2 的值为75840.0,3e-3的值为0.003。

1.4.3、字符串及其表示

注：字符串必须包含在同一行中，不能分行书写。

字符串在Verilog HDL中看做8位的ASCII值序列，即一个字符对应8位的ASCII值。

2、数据类型

按抽象程度 Verilog HDL数据类型可分为：物理数据类型（主要包括线网型及寄存器型）和抽象数据类型（主要包括整数型、时间型、实数型及参数型）。抽象数据类型主要用于辅助设计和验证。

2.1、线网型（wire）

wire 类型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。如果没有驱动元件连接到 wire 型变量，缺省值一般为 “Z”。对wire 类型赋值用“assign”。

例如：

wire data_out ;

wire flag ;

assign data_out = data_in ;

assign flag = 1'b1 ;

2.2、寄存器型（reg）

reg 用来表示存储单元，它的数据会保持最后一次赋值，直到被改写。reg 默认初始值为不定值“x”，缺省是数据位宽为1位。reg 一般为无符号数，若将一个负数赋值给 reg 型变量，则制动转换其二进制补码形式。

例如：

reg data0;

reg data1;

reg [4:0] data2;

2.3、存储器型（memory）

存储器型本质上还是寄存器型变量阵列，可以描述RAM型、ROM型存储器以及reg文件。存储器中的每一个单元通过索引进行寻址。

声明格式：

reg

（1） range1：存储器中寄存器的位宽，缺省,时为1，格式为[msb:lsb]。

（2）range2：寄存器的个数，缺省时为1，格式为[msb:lsb]。

（3）name_of_register：变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开。

例如：

reg [7:0] mem1[255:0];//定义了一个有256个8位的存储器

reg [15:0] mem2[127:0],reg1,reg2;//定义了一个具有128个16位的寄存器mem2

//2个16位的寄存器reg1和reg2

mem1[2] = 0; //给mem1存储器中的第三个存储单元赋值为0

2.4、整数型（integer）

整数类型用关键字 integer 来声明。声明时不用指明位宽，位宽和编译器有关，一般为32 bit。reg 型变量为无符号数，而 integer 型变量为有符号数。

例如：

reg [31:0]      data1 ;

reg [3:0]       byte1 [7:0]; //数组变量，后续介绍

integer j ;  //整型变量，用来辅助生成数字电路

always@* begin

for (j=0; j<=3;j=j+1) begin

byte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8]; //把data1[7:0]…data1[31:24]依次赋值给byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]

end

end

2.5、时间型（time）

Verilog 使用特殊的时间寄存器 time 型变量，对仿真时间进行保存。其宽度一般为 64 bit，通过调用系统函数 $time 获取当前仿真时间。

例如

time current_time ;

initial begin

#100 ;

current_time = $time ; //current_time 的大小为 100

end

2.6、实数型（real）

实数用关键字 real 来声明，可用十进制或科学计数法来表示。实数声明不能带有范围，默认值为 0。如果将一个实数赋值给一个整数，则只有实数的整数部分会赋值给整数。

例如：

real        data1 ;

integer     temp ;

initial begin

data1 = 2e3 ;

data1 = 3.75 ;

end

initial begin

temp = data1 ; //temp 值的大小为3

end

2.7、参数型

参数用来表示常量，用关键字parameter声明，只能赋值一次，但可通过实例化的方式更改参数在模块中的值。局部参数用localparam声明，其作用和用法与parameter相同，区别在于它的值不能改变。所以当参数在本模块中调用时，可以用localparam来说明。

3、运算符

3.1、算术运算符

Verilog HDL中常用的算术运算符主要有五种，分别是加法（+）、减法（-）、乘法（*）、除法（/）和取模（%）。

注：

算术表达式结果的长度由最长的操作数决定。在赋值语句下，算术结果的长度由等号操作符左端的目标长度决定。

3.2、关系运算符

关系运算符也是双目运算符，是对两个操作数的大小进行比较。关系运算符有大于（>）、小于（<）、大于等于（>=）和小于等于（<=）几种。

3.3、相等关系运算符

相等关系运算符是对两个操作数进行比较，比较结果有三种，即真（1）、假（0）和不定值（x）。Verilog HDL 中有四种相等关系运算符：等于（==）、不等于（！=）、全等（===）、非全等（！==）。

3.4、逻辑运算符

逻辑运算符有三种，分别为逻辑与（&&）、逻辑或（||）、逻辑非（！）。其中逻辑与、逻辑或是双目运算符，逻辑非为单目运算符。

3.5、按位运算符

Verilog HDL 提供了五种类型位运算符：按位取反（~）、按位与（&）、按位或（|）、按位异或（^ ）、按位同或（^~）,按位运算符对其自变量的每一位进行操作。

3.6、归约运算符

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。逻辑操作符、按位操作符和归约操作符都使用相同的符号表示，因此有时候容易混淆。区分这些操作符的关键是分清操作数的数目，和计算结果的规则。

例如：

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

3.7、移位运算符

移位操作符包括左移（<<），右移（>>），算术左移（<<<），算术右移（>>>）。移位操作符是双目操作符，两个操作数分别表示要进行移位的向量信号（操作符左侧）与移动的位数（操作符右侧）。算术左移和逻辑左移时，右边低位会补 0。逻辑右移时，左边高位会补 0；而算术右移时，左边高位会补充符号位，以保证数据缩小后值的正确性。

A = 4'b1100 ;

B = 4'b0010 ;

A = A >> 2 ;        //结果为 4'b0011

A = A << 1;         //结果为 4'b1000

A = A <<< 1 ;       //结果为 4'b1000

C = B + (A>>>2);    //结果为 2 + (-4/4) = 1, 4'b0001

3.8、连接运算符

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。

例如：

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