Verilog HDL的基础知识

引言：本文继续介绍Verilog HDL基础知识，重点介绍赋值语句、阻塞与非阻塞、循环语句、同步与异步、函数与任务语法知识。

1. 赋值语句

在Verilog中，有两种进行赋值的方法，即连续赋值语句和过程赋值语句（块）。

1.1 连续赋值语句

连续赋值用于表示组合逻辑。左侧必须是Net数据类型即wire和tri类型。

连续赋值始终处于活动状态，这意味着，对右侧值的任何更改都会导致赋值左侧值被更新。

//连续赋值方法1    
wire [15:0] adder_out = mult_out + out;     
//连续赋值方法2    
wire [15;0] adder_out;     
assign adder_out = mult_out + out;

在仿真测试中，可以对连续赋值语句分配延迟，但在综合时，该延迟被忽略。

assign#5adder_out=mult_out+out;//延迟5ns

1.2 过程赋值语句（块）

过程赋值语句包括initial和always两种。intial语句用于初始化仿真使用，always使用行为功能描述电路功能。

每个always和initial块都是并行运行的，但每个块内部是顺序执行的。

图1：过程赋值语句示例

2. 阻塞赋值和非阻塞赋值

always和initial过程块有种类型赋值即阻塞赋值（=）和非阻塞赋值（<=）。

过程赋值的左侧必须是变量数据类型，可以是reg、integer、real或time或realtime。赋值的右侧可以是任何有效的表达式或信号。

阻塞赋值和非阻塞赋值示例如下图所示。

图2：阻塞赋值和非阻塞赋值示例

如图2左侧阻塞赋值，两条语句同时执行，延迟#5时，a=b=2，再延迟#10时，c=a=2，即赋值语句立即执行，执行完毕后才执行下一条语句，左侧值在赋值语句执行完后立即改变。如图2右侧非阻塞赋值，延迟#5时，a=b=2，而再延迟#5时，c=a=1，即c值并未立即为a的新值。

图3展示了阻塞赋值和非阻塞赋值综合后的RTL电路举例。

图3：阻塞赋值和非阻塞赋值综合后的RTL电路举例

阻塞赋值和非阻塞赋值使用规则

组合电路一般使用阻塞赋值，时序电路使用非阻塞赋值，这可以避免混淆，提高代码可读性。

3. 两种类型RTL处理：组合逻辑处理和时序逻辑处理

组合逻辑处理：对所有输入列表信号敏感，用于组合逻辑。

图4：组合逻辑处理

时序逻辑处理：对时钟信号或者控制信号沿敏感（通过添加posedge或者negedge关键字），用于时序逻辑。

图5：时序逻辑处理

4. 过程块语句

initial和always过程块中有三种常用语句：if-esle、case和循环语句。

4.1 if-else语句

语句以关键字if开头，后跟一个条件，然后是条件为true时要执行的语句序列。else子句（如果存在）将在条件为false时执行。

图6：if-else示例

可以看到if语句合成为两个输入复用器。可以看到，多个if语句会导致多个复用，从而产生优先级。如果不需要在你的电路中进行优先级排序，case语句会更有效率。

4.2 case语句

在case语句中，所有条件都将根据表达式进行检查。这导致一个多路复用器具有多个输入。

图7：case语句示例

casez语句将表达式或条件中的所有'z'值视为不关心。

casex语句将所有“x”和“z”值视为不关心，而不是逻辑值。

图8：casez和casex语句示例

4.3 循环语句

（1）forever循环语句示例

initialbegin     
  clk = 0;    
forever#25clk=~clk;   
end

以上示例为周期为#50的clk时钟，注意该语句不可综合，只能用于仿真。

（2）repeat循环语句

if(rotate == 1)  
repeat(8)begin//循环8次  
temp=data[15];  
data = {data <<1,temp};  
  end    

repeat语句可以设置循环的次数，该语句可以用于综合，要具有明确的循环表达式和循环条件。

（3）while循环语句

initial begin      
 cnt = 0；
while(cnt< 101) begin  
    $display("cnt = %d",cnt); 
    cnt = cnt + 1;   
  end   
end 

cnt循环计数100次，在cnt为101时退出循环，该语句可以用于综合，要具有明确的循环表达式和循环条件。

（4）for循环语句

integer i;    
always @(inp,cnt) begin    
result[7:4] = 0;  
result[3:0] = inp;  
if(cnt==1)begin  
for(i=4;i<=7; i=i+1) begin  
      result[i] = result[i-4];  
    end     
  end     
end

以上for循环语句实现4bit左移位功能，for语句可以进行综合，实现硬件电路。

5. 同步逻辑和异步逻辑

图9：同步逻辑及异步逻辑

always敏度列表表达方式将导致控制信号是同步的或异步的。上图中左侧代码具有同步预置和触发器清除功能，该代码仅在时钟上升沿敏感，右侧代码敏感列表包含时钟和异步清除信号，如果aclr上升沿触发，就会引起q清零，不受时钟控制。

6. 函数（function）和任务（task）

Verilog HDL有两种子程序，函数和任务。它们都必须在模块中定义。函数根据其输入返回一个值。函数通常产生组合逻辑，并用于assign表达式中。

任务和函数对于模块中的重复代码非常有用。它们提高了代码的可读性。

图10：function示例

图11：task示例

function和task的异同点

相同点：

（1）任务和函数必须在模块内定义，其作用范围仅适用于该模块，可以在模块内多次调用；

（2）任务和函数中可以声明局部变量，如寄存器，时间，整数，实数和事件，但是不能声明线网类型的变量；

（3）任务和函数中只能使用行为级语句，但是不能包含always和initial块，设计者可以在always和initial块中调用任务和函数。

差异点：

（1）函数能调用另一个函数，但是不能调用任务，任务可以调用另一个任务，也可以调用函数；

（2）函数总是在仿真时刻0开始 ，任务可以在非零时刻开始执行；

（3）函数一定不能包含任何延迟，事件或者时序控制声明语句，任务可以包含延迟，事件或者时序控制声明语句；

（4）函数至少要有一个输入变量，也可以有多个输入变量，任务可以没有或者有多个输入，输出，输入输出变量；

（5）函数只能返回一个值，函数不能有输出或者双向变量，任务不返回任何值，或者返回多个输出或双向变量值。