VerilogHDL扫盲

以下大部分内容摘自VerilogHDL扫盲篇：

学习VerilogHDL语言不像学习一些高级语言，对于高级语言来说它们已经是完成品了，其外它们还有很多被隐藏的指令，这些好处无疑是减轻了学习者的负担。相反的VerilogHDL语言既是完成品，既不是完成品，就是因为它太自由了... 所以往往会让学习者感到疑惑，很疲惫和浮躁（我不学了！）。学习VerilogHDL语言需要一段过渡期的，快则半年，普通则1~2年，慢则很多年。即使经过了过渡期这也不表示已经掌握VerilogHDL语言了。所以呀朋友，希望你们可以沉住气，“欲速则不达”这是老祖先的智慧，它非常适合用在学习VerilogHDL语言的路上。VerilogHDL语言既不是顺序语言而且也非常的自由，VerilogHDL语言不像C语言那样有丰富的库支持，甚至库的概念也不适合用在它身上。但是即使它们是两个世界的居民，但是偶尔VerilogHDL语言可以在很多地方向C语言借签。相反的C语言就不能向VerilogHDL语言借签了。此外VerilogHDL语言还有两大阵列，就是综合语言和验证语言，这更是给学习者雪上加霜 太多的学习者会困惑在这两种语言的中间，所谓的困惑是思路的困惑。在这里，笔者建议先无视验证语言，先把综合语言学好（综合语言也没什么好学的，就如在前面章节笔者所举例的那样，关键字和操作符少得可怜），最重要还是掌握结构(建模)和使用规则（用法）。它们就像挥动着倚天剑和屠龙宝刀的招式，没有了这些招式倚天剑和屠龙宝刀不过是一件单纯的金属而已。至于验证语言，在未来有需要的时候再学也不迟，当阅读他人模块的时候，不要过于转牛角尖的看懂他人的思路，只要明白其中的内容就好。最重要还是如何使用自己的结构和方法去建立他人的思路，从中读者会学得更多。这一点是绝对的事实。就算现在的读者没有能力建立自己的结构也没有关系，来日方长读者有的就是时间。如果读者很钟爱笔者所建立的结构和方法，笔者很乐意也很荣欣被应用（这也是笔者写笔记的初衷）。

沉住气朋友，掌握VerilogHDL语言需要的不只是技术而已，最重要是那颗安静的心，安静的心会带读者乘风破浪，一方通行。此外记录笔记的习惯更为重要，向自己学习比起向他人学习更有学习的价值

一，建模是VerilogHDL语言的中心思想之二

二，时序是VerilogHDL语言的中心思想之二

在笔者的眼中，总结上C语言和VerilogHDL语言之间的区别会是如上的图表。关于高级语言和VerilogHDL语言区别的内容笔者讨论到这里就好了，读者不要过于深入区分谁是谁，谁又不是谁，如此纠结对学习没有任何好处，更多认识，当读者们深入以后就会自然了解。

我们知道驱使（RTL级）模块行动的最小单位就是时钟，即时发生延迟也只是延迟一个时钟，又或者2~3个时钟，绝对不会出现什么延迟2ns~3ns（物理路径延迟）等的问题。

在笔者的眼中“时序”的思想非常简单，就是如何读懂波形图，如何把波形图和模块的内容作联系。

例子1-reg 和wire的尴尬：

reg 和wire如果站在RTL级建模的角度上，reg 就是寄存器，作用是用来暂存内容，而且也提供操作空间；wire就是连线，作用仅此而已。但是站在组合逻辑级建模上reg和wire已经是傻傻分不清楚了

举个例子：

moduleomg_module(output[7:0]Q);

wire[3:0]A=4'd0;

wire[3:0]B=4'd2;

wire[3:0]C=4'd3;

assignQ=A+B+C;

endmodule

以上的一段代码，请问wire的作用是连线还是寄存内容了？呵呵，笔者没有说这样的使用方法有错呀。在这里笔者只是提出一个有趣的例子而已，对于一些初学者来说可能会非常的疑惑，尤其是那些习惯“面向对象”思想的人们...

moduleomg_module(output[7:0]Q);

reg[3:0]A;

reg[3:0]B;

reg[3:0]C;

always@(*)

begin

A=4'd0;

B=4'd2;

C=4'd3;

end

assignQ=A+B+C;

endmodule

如果笔者换成这样写法的话，是不是觉得更有道理呢？always(*) 的使用暗示了这是一个组合逻辑，然而寄存器A的值是4'd0,寄存器B的值是4'd2,寄存器C的值是4'd3，Q的驱动输出是寄存器A,B,C的值综合。

更有趣得是，经过编译两段代码所生成的RTL视图都一样！？(⊙o⊙)？... 在这里，笔者是要告诉读者一个信息，当我们建模的时候“解读能力”的优先级往往都高过“内容精简性”。要一度过于“贪小便宜”而把内容的解读能力跨下了，虽然这两个代码都没有错，而且结果一致。但是一个潜在的问题是，我们人类都是习惯把“东西分类”以便管理和理解，既然wire在字面上都是“连线”的意思了，就干脆把它当“连线”来使用...

例子2-always@() 的多样性

1.always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)// 当CLK和RSTn变化的时候

2.always@(*) // 什么时候都变化, 亦即默认为组合逻辑

3.always@(A) // 当A变化的时候

always@() 的用法很多，但是用得最多的就是第1个和第2个。

always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)

if(!RSTn)

begin

i<=4'd0;

.......

end

else

case(i)

0:

.......

endcase

上面一段代码是笔者最爱的“基于仿顺序操作想法”的基本“用法模板”，在后期里它可是大展拳脚。

always@(*)A=4'd9; // 常数赋值

always@(*) // 选择器

if(Start_Sig[0])rQ=U1_Q;

elseif(Start_Sig[1])rQ=U2_Q;

elseQ=1'bx;

至于第二种always@() 的用法，笔者估计它是用得最“泛滥”了，尤其是在组合逻辑建模里，不过笔者使用的比较不多, 除了“常数赋值”和“输出选择器”以外。

最后的第一种always@()的用法，基本上只要懂得上面两种always@() 用法以后，自然而然也会了。

例子3- 最头疼的=和<=赋值

基本上要搞懂这两个赋值操作符号的作用，就必须把“时序”的概念搞懂先。

宏观上，如同参考书中所说的一样；微观上，在时序中“=”是引发“即时事件”,“<=”则是引发“时间点事件”

例子4- 要慎用的*/%数学运算符

当读者使用*/ 和%的数学运算符的时候，笔者请你们再三的三思（九思？呵呵！），因为使用它们的代价很大。如果读者所使用的FPGA有内嵌硬件乘法器又或者除法器的话，那么这些乘法器和除法器就会被消耗。相反的，如果读者说使用的FPGA是没有包含这些东西的话，资源逻辑的消耗是很大的。一般上，如果是为了求出*2 *4 *8 *16又或者/2 /4 /8 /16 笔者建议使用位操作的运算符，亦即<<和>>，它们也可以求出同样的结果。如果想要求出的结果是不在2N范围之内的话，读者还是求与其他的方法... 只有在用尽办法的时候才使用它们。至于%的数学运算符，它真的是一个罪恶，没有可以替代的第三方法....在这里笔者要强调一下，笔者不是说不可以使用它们，笔者只是建议如果可以的话不要过度依赖它们，它们尽是一些逻辑资源的大食怪，不把资源吃光才怪。

在这里，笔者再强调一下HDL语言是一种非常自由的语言，它没有固定的结构，也没有固定的使用方法。参考书在乎“如何使用HDL语言去完成设计”，然而笔者比较在乎“如何有效使用HDL语言”。这两者之间都没有问题，不过是笔者的笔记比较偏向学习的口味，没有参考书那样死沉沉的气氛，比较愉快和轻松

话句话说，VerilogHDL语言可以应用的地方只适合“逻辑和底层设计”.... 不不不，这是天大的误会。就这样，随之又产生“C语言驱动的东西，既然用VerilogHDL语言去驱动”类似的声音。是谁规定C语言可以驱动的东西，VerilongHDL语言就不能驱动？相反的，C语言可以驱动的东西，如果读者也能使用VerilogHDL语言去驱动，那么这才是真正的学习。之所以会产生如此的声音，就如笔者在前几章节讲述的那样：“VerilogHDL语言的结构自由，使用方法也自由，自由到好像没有一样”很多的设计都不包含结构和使用方法，只要设计可以发挥预期般的效果就Okay~如果读者明白了这个简单的道理，读者自然会明白自定义VerilogHDL语言的结构和使用方法是非常的重要和基础。VerilogHDL语言的建模不是越复杂就越伟大，反之越直接的建模才是学习的方向。在这里，听笔者说：“当你放下偏见，你才可以接触到真理”，这简单的智慧在哪里都行得通，学习VerilogHDL语言也是这样一回事。

笔者来说说为什么单文件主义远离了VerilogHDL语言的本质呢？VerilogHDL语言，本质上是并行而且又有“面向对象”的味道。但是这“面向对象”的概念和C++语言中的概念有所不同，然而它更接近现实中的“管理系统”（详解请看建模篇）。读者尝试想象，有没有可能一个系统的操作，没有部门，没有团队，没有小组？对，就是不可能。单文件主义恰恰好就是违反了这个简单的道理。

上文中所说的“没有分类”的烂漫约会，如果也“没有顺序操作”的支持... 会是一个非常糟糕的情形。因为这个系统操作（约会过程）没有结构的支持, 这个情形也反映出了单文件主义的致命缺点。笔者有一句很经典的话：“解读能力差的模块是最糟糕的”，这一句话完全迎合单文件主义下所建立的模块。

低级建模的基本单元有：功能模块，控制模块，组合模块。

� 功能模块的内容包含了最基本的动作。

� 控制模块的内容包含了动作的控制步骤。

� 组合模块的内容包含了所有功能模块和控制模块之间的组合。

建模层次有：基础（模块）建模，仿顺序操作建模，接口建模，系统建模。

� 基础（模块）建模的内容包含了最小功能的模块。

� 仿顺序操作建模，这一个比较特别，主要是模仿了C语言中的函数。

� 接口建模的内容包含了一个已经封装完成的模块。

� 系统建模的内容包含了一个特定功能的模块。

举个例子，就拿串口来作个比方：

在串口硬件模块（串口系统建模）里，分类了发送接口和接受接口。发送发送接口包含了FIFO模块，波特率产生模块和串口发送控制模块。串口接收串口包含了FIFO模块，波特率产生模块，串口接收控制模块。串口发送模块是组合了波特率产生模块和串口发送控制模块，串口接收模块是组合了波特率产生模块和串口接收控制模块。

串口系统建模之间的模块基本单元分类：

串口系统建模之间的层次分类：

在这里笔者只是简介了笔者最爱的“低级建模”的结构分类而已，事实上每一个基本单元和每一个层次都有严谨的定义。建模是VerilogHDL语言的结构，越庞大的设计建模所带来的后期影响是读者/笔者远远都猜想不到的。故建模对于VerilogHDL语言来说是非常重要的基础。VerilogHDL语言的结构是自由的，然而笔者的“低级建模”是笔者自定义的结构而已。当然读者也可以建立自己的结构。

仿顺序操作是什么？就是利用VerilogHDL语言自身的特质去模仿一些顺序语言如C语言，故称为“仿顺序操作”

always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)

if(!RSTn)

begin

i<=4'd0;

....

end

else

case(i)

0:

begin....i<=i+1'b1;end

1:

......

endcase

就以流水灯来说话吧：

always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)

if(!RSTn)

begin

i<=4'd0;

rLED<=4'b0000;

end

else

case(i)

0:

beginrLED<=4'b0001;i<=i+1'b1;end

1:

if(Timer==T10MS)i<=i+1'b1;end

2:

beginrLED<=4'b0010;i<=i+1'b1;end

3:

if(Timer==T10MS)i<=i+1'b1;end

4:

beginrLED<=4'b0100;i<=i+1'b1;end

5:

if(Timer==T10MS)i<=i+1'b1;end

6:

beginrLED<=4'b1000;i<=i+1'b1;end

7:

if(Timer==T10MS)i<=4'd0;end

endcase

在case... endcase 之间，步骤i 等于0,2,4,6的时候是更新LED（流水操作），步骤i等于1,3,5,7的时候是延迟10ms。

此外，还可以把步骤i当成简单的循环。上面一段代码表达了，当步骤i等于0,2,4,6的时候就更新rLED,。反之，当步骤i等于1,3,5,7的时候就延迟10ms。在步骤i等于8的时候是步骤返回操作。

always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)

if(!RSTn)

begin

i<=4'd0;

rLED<=4'b0001;

end

else

case(i)

0:

beginrLED<={rLED[0],rLED[3:1]};i<=i+1'b1;end

1

if(Timer==T10MS)i<=i-1'b1;end

endcase

又或者更进一步的压缩步骤，使得代码更直接而且更节省资源。在上面一段代码当中，只有两个步骤，亦即步骤0和1。步骤0是更新rLED，步骤1是延迟10ms，然而这两个步骤之间交互交替使而产生流水灯效果

当然，步骤i的用法不仅而已，如果把“时序”的概念引入的话：

always@(posedgeCLKornegedgeRSTn)

if(!RSTn)

begin

i<=4'd0;

Mper<=8'd0;

Mcand<=8'd0;

Sum<=8'd0;

end

else

case(i)

0:

beginMper<=Mper_Sig;Mcand<=Mcand_Sig;Sum<=8'd0i<=i+1'b1;end

1

if(Mcand==0)i<=i+1'b1;

elseSum<=Sum+Mper;Mcand<=Mcand-1'b1;end

......

endcase

以上一段代码是简单的乘法运算，Mper是乘数的暂存器，Mcand是被乘数的暂存器，Sum是累加空间。当步骤i等于0的时候初始化相关的寄存器，在步骤i等于1的时候执行乘法操作... 在这里读者也可这样说：“在T0的时候初始化相关的寄存器，在接下来的时钟执行乘法操作... （有点闷，看不太懂，实力还不够(⊙o⊙)）

总结之下，这个用法可以伸缩的范围非常之大。除外，它所带来的好处也非常之多：

� 提供了VerilogHDL语言顺序操作的支持。

� 提高了模块的表达能力。

� 提供了仿顺序操作·建模的结构基础。

但是它也带来一些限制：

� 不推荐嵌套case...endcase 和if。

� 该用法不推荐出现过多在同一个模块中。

这些限制是笔者标记下来的，这之间和“低级建模”有多少关系。当然，如果读者不遵守的话也没有问题。显然这个用法也不是万能的，尤其是一些紧密的RTL级建模，如：VGA驱动，它就显得无用武之地了。事实上这个用法到目前为止，笔者还在不停的研究当中，越深入学习它，就越发现它的潜能很深...

认识RTL级设计（建模）

用凡人的话来说CLK代表了一个模块的心跳节拍，这个心跳节拍提供模块可以消耗的动力。但是CLK信号真正可以被模块所用到不是它的高电平又或者低电平，而是上升沿（低电平到高电平的变化）和下降沿（高电平到低电平的变化）。

always@(posedgeCLK)

......

对于RTL级设计来说CLK是模块的心跳，没有心跳模块就不能活动，没有心跳就没有时序图。换另一句话说，构成RTL级最基本的设计需要“寄存器”为最小的建模单位，然后再加上模块可以活动的CLK信号。

always@(posedgeCLK)

Counter1<=Counter1+1'b1;

always@(posedgeCLK1/2)

Counter2<=Counter2+1'b1;

上面有一段代码是Counter1+CLK和Counter2+CLK1/2促成最简单的RTL级设计。Counter1在每一个CLK时钟内递增，然而Counter2在每一个CLK1/2时钟内递增。到目前为止Counter1和Counter2还是独立关系。

图0.13b是Counter1+CLK和Counter2+CLK1/2产生的时序图。在这里Counter2所使用的频率是Counter1的一半。在每一个CLK的上升沿Counter1都递增，然而在每一个CLK1/2的上升沿Counter2都递增

always@(posedgeCLK)

Counter1<=Counter1+1'b1;

always@(posedgeCLK1/2)

Counter2<=Counter1;

假设笔者把Counter1和Counter2联系起“关系”的话，如上面的一段代码所述。又会产生怎样的时序图呢？

图0.13c是Counter1和Counter2建立关系以后多产生的时序图。在CLK是T0的时候，CLK_1/2也是在T0。由于在T0之前Counter1什么也没有，所以Counter什么也读不到（一般上0为复位值）。在CLK_1/2是T1，Counter2尝试读取Counter1的“过去值”，结果Counter2读到值2，所以在CLK_1/2的T1，Counter2的“未来值”是2。类似的事情也发生在CLK_1/2的T2，T3和T4的时候。在这里读者先不用管“过去值”和“未来值”的定义，这是笔者在时序篇里的专用词。读者需要焦距的是，每一次Counter1成功递增是发生在CLK的上升沿，然而Counter2每一次成功读取Counter1的值都是发生在CLK_1/2的上升沿。换句话说，CLK的上升沿是触发Counter1递增，CLK_1/2的上升沿是触发Counter读取Counter1的过去值。以上的内容就是RTL级设计最基本的思想。

至于组合逻辑级设计呢？在VerilogHDL语言中，如果我们把VerilogHDL语言看成是理想的语言，那么组合逻辑就可以直接无视被CLK的影响，因为组合逻辑取得的是即时的结果。假设读者不把VerilogHDL语言看成是“理想”的话，组合逻辑会产生“物理”上的延迟。但是笔者还是建议读者把VerilogHDL语言看成是一个理想的工具为好。换另一个角度来看的话，C语言和VerilogHDL语言都是工具，难道C语言会产生“物理”上的延迟吗？此外这样的想法对于VerilogHDL语言的设计会带来很大的好处，尤其是看懂波形图（时序图）哪一环，效果会更加明显。

原文：http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2008/06/17/c_verilog_mental_thinking.html

Abstract
Verilog由於在語法上向C靠攏，若熟悉C語言，學Verilog倍感親切，但也由於語法類似，若把Verilog當成C語言來思考，怎很難抓到硬體的精神。

Introduction
Verilog有3點思維與C語言不一樣
1.軟體是循序的，而硬體是並行的
C語言是一行一行的執行，就算組合語言也是一樣，或許你會說threading，但在微觀下仍是循序地執行。但硬體電路就不一樣，電路只要一插上電，所有電路就同時工作。
如以下的Verilog

雖然看起來是 e <= a & b; 在 f <= c & d;前面，但實際上合成電路後如下圖所示

由上圖得知，e和f並沒有先後之分，是並行的。

2.硬體要循序，要靠clock和FSM
或許你會說，『我的演算法就是要循序一步一步的做，如C語言那樣，那怎麼辦?』，若Verilog要這樣，就得靠clock並且搭配FSM，當一個state完成後，進入下一個state，這樣就能依照clock的進行，而達成循序的要求。

3.Verilog程式碼沒有先後之分
除了blocking assignment有先後執行順序，而nonblocking assignment同時執行外，Verilog的程式沒有前後順序之分，所以才稱為硬體『描述』語言，而非硬體『程式』語言，先寫的不代表先執行，後寫的也不代表後執行，只是代表硬體的架構的描述，也就是說，將原來的電路圖，變成文字描述而已。

4.多用RTL Viewer和ModelSim觀察自己寫的code
Verilog寫法小小的差異，合成出來的硬體就可能有天壤之別，多用RTL Viewer觀察合成出來的硬體是否和自己預期的一樣，並多用ModelSim觀察跑出來的波形，這樣會增加你對Verilog的掌握度。

Conclusion

很多人學了Verilog，還是把它當C語言寫，事實上他們只是語法類似，但背後的思維並不一樣，唯有『心中有硬體』，才能設計出好的電路。