FPGA第 8 篇，硬件描述语言Verilog HDL，初识Verilog HDL

前言

我们都知道 FPGA 是一种高度可编程的集成电路，适用于实现各种数字逻辑功能，而 Verilog HDL是一种广泛使用的硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL），主要用于数字电子系统的描述、仿真和综合，以及其他数字系统的逻辑设计。通过使用 Verilog，工程师可以高效地设计和验证 FPGA 电路，从而实现所需的数字系统功能。

这里的 Verilog HDL 和 Verilog 实际上指的是同一种硬件描述语言（Hardware Description Language），即 Verilog。Verilog HDL 是 Verilog 的完整名称，“HDL”代表“Hardware Description Language”，表示这是一种用于描述硬件系统（特别是数字逻辑电路）的语言。

Verilog 语言最初由 Gateway Design Automation 开发，后来被 Cadence Design Systems 收购，并最终成为了一个开放的标准，Verilog 已经被 IEEE 标准化为 IEEE 1364。它是一种更接近编程语言的 HDL，HDL 是硬件描述语言的总称，包括 Verilog 和 VHDL。

一. Verilog 介绍

Verilog HDL是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。

二. Verilog 优势与特点

1. Verilog 优势

语法自由、易学易用
适合算法级、门级设计
代码简洁
发展较快
Verilog 的语法风格在一定程度上类似于 C 语言，这使得熟悉 C 语言的开发者能够更快地上手 Verilog。

2. Verilog 特点

硬件描述：Verilog 提供了一种描述数字电路的方式，包括电路的结构、行为和数据流。

可综合性：Verilog 代码可以被综合工具转换为实际的硬件电路，如现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）。

仿真：Verilog 代码可以被仿真工具用来验证电路的功能正确性。

模块化设计：Verilog 支持模块化的设计方法，允许将大型设计分解为较小的、可重用的模块。

并行性：Verilog 语言支持并发执行的概念，使得描述复杂的数字系统变得容易。

混合语言支持：Verilog 可以与另一种流行的 HDL 语言 VHDL 以及其他语言混合使用。

三. Verilog 组成部分

模块：Verilog 设计的基本单元是一个模块，每个模块描述了一个独立的功能块。
端口：模块之间的连接通过端口来实现，端口可以定义为输入、输出或双向。
数据类型：Verilog 支持多种数据类型，包括位向量、整数、实时和位向量数组。
连续赋值语句：用于描述组合逻辑电路。
过程块：用于描述时序逻辑和控制逻辑，可以包含条件语句、循环等结构。
任务和函数：用于封装常用的操作或计算，提高代码的复用性。

四. Verilog 应用场景

IC 设计：Verilog 用于描述和验证 IC 的功能。
FPGA 开发：Verilog 用于 FPGA 的设计和配置。
嵌入式系统：Verilog 用于嵌入式系统的硬件部分描述。
系统级仿真：Verilog 可以用于系统级的仿真，包括软硬件协同仿真。

五. Verilog 具体使用

First. Verilog 编辑器

1. Verilog硬件语言，支持的文本编辑器，请看

Notepad++ - 一个免费且强大的文本编辑器，支持语法高亮显示。
VS Code (Visual Studio Code) - 支持多种语言，包括Verilog，并且可以通过扩展增强功能。
Sublime Text - 提供了高度可定制化的环境，有丰富的插件支持。
Atom - 一个开源编辑器，有大量的社区插件可供安装。
Vim 或 Emacs - 对于熟悉命令行界面的用户来说非常强大。

2. 文本编辑器与集成开发环境的区别

(1). 文本编辑器

文本编辑器是用于编写和编辑代码的工具，通常提供基本的文本处理功能。常见的文本编辑器包括：

Notepad++、
Visual Studio Code、
Sublime Text、

等等。

(2). 集成开发环境(IDE)

集成开发环境 (IDE) 是一种集成了多个开发工具的综合性开发平台，专门用于设计FPGA开发的IDE通常包括代码编辑、综合（synthesis）、仿真（simulation）、实现（implementation）、调试（debugging）等功能。常见的 FPGA IDE 包括：

Intel Quartus Prime、
Xilinx Vivado、
Lattice Diamond

等等。

容易搞混乱，别搞混了。

Second. Verilog 文件

1. VS Code

这里以VS Code文本编辑器为例，进行开发；
打开VS Code，在插件商店搜索 Verilog-HDL/SystemVerilog/Bluespec SystemVerilog 并下载，这样VsCode就可以识别到 Verilog 代码。

2. 新建文件

打开所选的文本编辑器后；
新建一个空白文件，注意区别文件/文件夹。

3. 保存文件

将文件后缀名改为 .v，例如 my_module.v（Verilog文件的后缀为 .v）。
确保选择合适的文件夹，保存文件。

4. 编写代码

在 Verilog 文件中（后缀名为.v的文件中）输入代码，进行开发。

Third. Verilog 数据类型

Verilog HDL（Hardware Description Language）支持多种数据类型，这些数据类型可以大致分为两大类：物理数据类型和抽象数据类型。这里是一些常见的Verilog数据类型：

1. 物理数据类型

Wire (wire)：表示硬件单元之间的物理连线，它不具备存储功能。
Tri (tri, tri0, tri1, triand, trior, trireg)：表示三态逻辑门的输出。
Reg (reg)：表示寄存器或存储单元，可以存储数据。
Memory (reg array)：使用寄存器数组来模拟存储器。

这些类型主要用于直接映射到硬件电路中的实际组件上。

2. 抽象数据类型

这些类型用于辅助设计和验证过程，通常不直接映射到具体的硬件组件上

Integer (integer)：用于表示整数。
Time (time)：用于表示时间值，如仿真时间。
Real (real)：用于表示实数。
Parameter (parameter)：用于定义符号常量。
Event (event)：用于表示事件。
String (string)：用于表示字符串。

除了上述类型之外，Verilog还支持一些其他的类型，例如：

Genvar (genvar)：用于生成循环中的索引。
Enum (enum)：用于定义枚举类型。
Struct (struct)：用于定义结构体。
Union (union)：用于定义联合体。

3. 常用的数据类型

根据资料显示，Verilog HDL共有19种数据类型，其中包括最基本的4种数据类型：integer、parameter、reg、wire。除此之外，还有其他如large、medium、scalared、small、vectored等类型，但这些并不是经常使用的类型。

因此，如果只考虑最基本和常用的数据类型，我们可以总结出以下几种：

连线型 (wire)
寄存器型 (reg)
整型 (integer)
时间型 (time)
实型 (real)
参数型 (parameter)
三态逻辑 (tri, tri0, tri1, triand, trior, trireg)
数组类型 (reg, integer, time, real, realtime 的数组)
事件 (event)
字符串 (string)
枚举 (enum)
结构体 (struct)
联合 (union)
生成变量 (genvar)

这里需要注意的是，某些类型如tri系列的类型可能不会在所有的Verilog实现中都可用，具体支持哪些类型取决于Verilog的标准版本以及使用的综合工具或仿真器的支持情况。

4. 经常使用的数据类型

(1). wire：用于表示组合逻辑电路中的连线。它没有存储能力，只反映当前时刻的值。

wire out;
assign out = A & B; // 组合逻辑赋值

(2). reg：用于表示寄存器或存储单元。它可以存储值，并且可以在时序逻辑中使用。

reg out;
always @(posedge clk) begin
    if (reset)
        out <= 0;
    else
        out <= A & B;
end

(3) integer：用于表示整数变量，可以存储较大的整数值。

integer i;

(4) time：用于表示时间值，例如在仿真中表示延迟。

time delay_time;

(5) real：用于表示实数变量。

real voltage;

(6) genvar：用于循环生成模块时作为索引。

genvar i;
generate for(i=0; i<4; i=i+1) begin : inst
    // 生成模块实例
end
endgenerate

Fourth. Verilog 逻辑值

1. 二进制逻辑值

1：表示逻辑高电平。
0：表示逻辑低电平。

2. 未知值

x 或 X：表示未知的逻辑值，常用于不确定的状态或未初始化的变量。
z 或 Z：表示高阻态，通常用于三态门输出或总线的状态。

3. 其它特殊值

-：有时也用于表示未知值。
?：表示未知或未指定的值。

4. 常用整合

0逻辑低电平，条件为假
1逻辑高电平，条件为真
z:高阻态，无驱动
x:未知逻辑电平

5. 使用示例

假设我们想要定义一个简单的组合逻辑电路，该电路接收两个输入信号A和B，并输出一个与门的结果out。

module and_gate(input A, input B, output out);
    assign out = A & B; // 使用二进制逻辑值
endmodule

如果我们要处理不确定的状态，我们可以使用x或X来表示未知值。

module unknown_logic(input A, input B, output out);
    assign out = (A & B) | (A & X) | (X & B); // 使用未知值
endmodule

6. 注意事项

在时序逻辑设计中，尽量避免使用wire类型的变量来表示需要存储的值。
当涉及到复杂的逻辑表达式时，合理使用wire和reg可以帮助优化设计。
对于未知值和高阻态的处理要特别小心，因为它们可能会导致意想不到的行为。

Fifth. Verilog 算数运算符

在Verilog HDL中，算术运算符用于执行基本的数学操作，如加法、减法、乘法和除法。这些运算符对于实现数字电路中的算术功能非常重要。这里是Verilog中的一些常见算术运算符及其使用方法：

1. 加法 (+)：用于两个数值的加法操作。

reg [3:0] a = 4'b0011;
reg [3:0] b = 4'b0001;
reg [4:0] sum;
assign sum = a + b; // sum 将等于 4'b0100

2. 减法 (-)：用于两个数值的减法操作。

reg [3:0] a = 4'b0011;
reg [3:0] b = 4'b0001;
reg [4:0] diff;
assign diff = a - b; // diff 将等于 4'b0010

**3. 乘法 (*)：**用于两个数值的乘法操作。

reg [3:0] a = 4'b0011;
reg [3:0] b = 4'b0001;
reg [7:0] product;
assign product = a * b; // product 将等于 8'b00000011

4. 除法 (/)：用于两个数值的除法操作。注意，整数除法会丢弃小数部分。

reg [3:0] a = 4'b0100;
reg [3:0] b = 4'b0010;
reg [3:0] quotient;
assign quotient = a / b; // quotient 将等于 4'b0010

5. 取模 (%)：用于求余数。

reg [3:0] a = 4'b0101;
reg [3:0] b = 4'b0011;
reg [3:0] remainder;
assign remainder = a % b; // remainder 将等于 4'b0000

6. 代码示例

这里使用Verilog算术运算符实现一个简单的例子，展示如何实现一个基本的加法器模块：

module adder_module(input [3:0] a, input [3:0] b, output [4:0] sum);
    assign sum = a + b; // 计算 a 和 b 的和
endmodule

Verilog中的算术运算符提供了基本的数学操作，这对于实现数字电路中的算术功能非常重要。在使用这些运算符时，需要注意位宽和溢出等问题。

7. 注意事项

位宽：在进行算术运算时，要注意操作数的位宽。如果位宽不匹配，可能需要使用位拼接 ({}) 或位扩展 ($signed 或 $unsigned) 来调整位宽。
溢出：加法和乘法可能导致溢出，特别是在位宽有限的情况下。Verilog 不会自动处理溢出，因此需要程序员自己处理。
无符号和有符号运算：Verilog 默认使用无符号运算。如果需要有符号运算，可以使用 $signed 函数来明确指定。
类型转换：在不同类型的变量之间进行运算时，可能需要显式转换类型。

Verilog中的算术运算符提供了基本的数学操作，这对于实现数字电路中的算术功能非常重要。在使用这些运算符时，需要注意位宽和溢出等问题。