介绍

本课程笔记是基于依元素科技公司与北京邮电大学开展的 FPGA 创新工坊课程学习 verilog 代码。

主要就是在其的社区平台上写 verilog 代码练习。平台链接：https://www.ego-link.com/#/problem-list 注册账号，练习题都在题库里，用类似 leetcode 刷题的方式学习。

FPGA

现场可编程门阵列。可以在芯片内部绘制用编程软件绘制和擦除电路。大概就是编程来决定内部电路结构的芯片。

FPGA 内部有各种各样可编程门电路（如与或非），其编程能力取决于可编程单元的数量。通过阵列的形式排列。

门电路断电后功能擦除，再上电重新写入，因此被称为可擦除。

本次课程更多使用 Verilog 语言。

现在的 FPGA 芯片也不仅仅局限于这些功能，可以有一些网络接口，存储器，DPU（深度学习处理单元，学 AI 用的）等。

如果感兴趣建议入门从 EGO1 开始学习，b站同名up就有相关学习课。

语法

电路主要分为组合逻辑电路（输出仅和现在的输入有关），时序逻辑电路（和输入以及过去电路的历史状态有关）。

首先熟悉一下程序架构：

module：我们写的这一整个内容可以看做是一个函数/模块，module。

输入：input 类型。

输出：output 类型。

我们要做的是把 input 类型转换为想要的 output 结果。

例1：P1203 1输入1输出

题目描述

请构建一个具有一个输入和一个输出的模块，请用组合逻辑实现，其输出端口和输入端口信号关系如下：
out <- in（将in连续赋值给out）

与物理导线不同，Verilog中的导线（和其他信号）是定向的。这意味着信息只在一个方向上流动，从（通常是一个）源到接收器（源通常也称为将值驱动到导线上的驱动程序）。在Verilog的assign语句中，右侧信号的值被驱动到左侧的导线上，其赋值是“连续的”，因为即使右侧的值发生变化，赋值也会一直持续，注意连续分配不是一次性事件。

如下right_side的信号会连续赋值给left_side 。
assign left_side = right_side;

要求很简单，把输入赋值给输出原封不动即可。

主要是语法如何赋值。用 assign 关键词赋值。

assign：连续赋值，比如 in 的值更新了 out 也会实时更新。assign 类似 return。

// Verilog Solution:

module top_module(
    // 输入信号
    input in,
    // 输出信号
    output out
);


// write your code here

assign out=in;//把 in 的值赋给 out

endmodule

类似 leetcode，给定了一些数据结构和函数，我们只需要在需要写代码的地方补充代码即可。

例2：P1204 3输入4输出

请构建一个具有 3 个输入和 4 个输出的模块，请用组合逻辑实现，其行为类似于建立这些连接的导线：
w <- a
x <- b
y <- b
z <- c

在设计实现中你会使用到assign语句，当设计中有多个assign赋值语句时，它们在代码中的显示顺序无关紧要。需要理解的是assign赋值语句（“连续赋值”）是描述事物之间的联系，而不是将值从一个事物复制到另一个事物的操作。
这里还需澄清的一个潜在的混淆：上图的绿色箭头表示电线之间的连接，但本身不是电线。该模块本身已经声明了 7 根导线（命名为 a、b、c、w、x、y 和 z），assign语句不是在创建导线，而是在已存在的7根导线之间创建连接。

和例1很像，主要就是如何正确的把多个 input 按要求赋值给多个 output。

assign w=a;
assign x=b;
assign y=b;
assign z=c;

例3：P1207 P1208 P1205 与或非门

与门（英语：AND gate）又称“与电路”、逻辑“积”、逻辑“与”电路。是执行“与”运算的基本逻辑门电路。有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。

与门的真值表为：

输入in0	输入in1	输出out
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

或门（OR gate），又称或电路、逻辑和电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。或门有多个输入端，一个输出端，只要输入中有一个为高电平时（逻辑“1”），输出就为高电平（逻辑“1”）；只有当所有的输入全为低电平（逻辑“0”）时，输出才为低电平（逻辑“0”）。

或门的真值表：

输入in0	输入in1	输出out
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

非门（英文：NOT gate）又称非电路、反相器、倒相器、逻辑否定电路，简称非门，是逻辑电路的基本单元。非门有一个输入和一个输出端。当其输入端为高电平（逻辑1）时输出端为低电平（逻辑0），当其输入端为低电平时输出端为高电平。也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。非门的逻辑功能相当于逻辑代数中的非,电路功能相当于反相,这种运算亦称非运算。

非门的真值表：

输入in	输出out
0	1
1	0

这里就是简单的数电概念了，对于2个输入 in0 in1，求其与和或的结果；对于一个输入 in，求其非的结果。

语法：& | ! 是针对单位 bit 的逻辑运算。&& || ~ 是多位的逻辑运算。这里 in0 和 in1 都是单位 bit ，用 & 或 && 都行。（可以试一下 P1206 4位非门，令 out=!in; 就是错误的因为需要有多位取反，~ 就正确。）

assign out=in0&in1;

assign out=in0|in1;

assign out=!in;

还有几道与非，或非，同或的题是根据与或非的结合去计算的，也比较简单可以练手。

例4：P1200 半加器

半加器电路是指对两个输入数据位相加，输出一个结果位和进位，没有进位输入的加法器电路。 是实现两个一位二进制数的加法运算电路，即不考虑低位有无向本位的进位，只将两个本位数相加的运算。

以下是1位半加器的真值表，其中x和y是加数，c_out是向高位的进位信号，sum是和：

输入		输出
x	y	sum	c_out
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

也是很简单的电路，就是求x+y。如果进位了，c_out=1。sum =x+y的最低位。比如1+1=10，进位 c_out=1，sum 最低位=0。

可以令 sum=x+y; 因为 sum x y 都是1位的，即使 x=1 y=1，相加后也会溢出，sum 得到的值仍是0. 然后 c_out=x&y; 因为只有两者同时==1 时才会进位。

也可以采用异或运算 sum=x^y; 异或运算是当 x!=y 时，结果=1，否则结果=0，也符合半加器的进位机制。（可以尝试 P1211 异或题。）

例5：P1201 4位二进制转余3循环码

格雷码，又叫循环二进制码或反射二进制码，格雷码是一个有序的2的N次方个二进制码，格雷码是我们在工程中常会遇到的一种编码方式，格雷码的特点是从一个数变为相邻的一个数时，只有一个数据位发生跳变，由于这种特点，就可以避免二进制编码计数组合电路中出现的亚稳态。格雷码常用于通信，FIFO或者RAM地址寻址计数器中。

十进制数	binary[3:0]（自然二进制数）	gray[3:0]（格雷码）	十进制数	binary[3:0]（自然二进制数）	gray[3:0]（格雷码）
0	0000	0000	8	1000	1100
1	0001	0001	9	1001	1101
2	0010	0011	10	1010	1111
3	0011	0010	11	1011	1110
4	0100	0110	12	1100	1010
5	0101	0111	13	1101	1011
6	0110	0101	14	1110	1001
7	0111	0100	15	1111	1000

4位2进制转格雷码方法如下：

首先介绍一下 verilog 的多位寄存器定义。这次题目定义如下：

module top_module(
    // 4位二进制数输入
    input [3:0] binary,
    // 4位格雷码输出
    output [3:0] gray
);

前面接触的变量大多数变量都是一位的，比如 input in 就是定义了一个比特的 in 寄存器。如果我们给一位的寄存器赋值会自动截取最低位的值，比如 assign out=2; 2 的二进制是10，也就是 out 得到的值只是末尾的0.

如果 input[3:0] in 是定义了一个4位的寄存器，用法很像 C 语言的数组。4位从高到低分别是 in[3], in[2], in[1], in[0]。

我们可以单独给其中一个或者几个单元赋值，比如 output[3:0] out ，assign out[2]=1; assign out[0]=0;

也可以比如 out[3:2]=2; 给前两位赋值10.

貌似也可以 output[0:3] out 去定义，连续赋值的时候也必须从小到大，如 out[2:3]=2; .不过约定俗成大家一般都规定高位索引值高，低位索引值低。

这道题根据图片公式，我们给每个位和他左边相邻的位进行异或，求得本位的值。

assign gray[0]=binary[0]^binary[1];
assign gray[1]=binary[1]^binary[2];
assign gray[2]=binary[2]^binary[3];
assign gray[3]=binary[3];

也可以用一个大括号赋值，用逗号分割。

assign gray={binary[3],binary[2]^binary[3],binary[1]^binary[2],binary[0]^binary[1]};

这种赋值方式不是说必须局限于写4个 1bit 的值。可以 assign gray={binary[3:2],binary[1],binary[1]}; 形如这样，相当于把 binary[3:2] 赋值给 gray[3:2]，binary[1] 赋值给 gray[1] gray[0]。总长度是一样的就行。

除此以外还可以复制重复多次赋值。

对于常数，可能会看到 4'b1011 类似这样的形式。第一个数字表示：这个常数转换为二进制之后，一共有多少位。然后加一个’，然后是一个字母表示后面的数字是以二进制形式/十进制形式/十六进制形式传入。b是二进制，d是十进制，h是十六进制。

8’b1011_1011: 二进制数 1011 1011，即十进制187。_是分隔每四位数字的符号，写不写都行，就是看起来方便一点。

3’d7：十进制数7，二进制数111.

4’ha：十六进制数a，十进制数10，二进制数1010.

例6：P1215 2选1多路选择器

多路选择器是数据选择器的别称。在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。
2选1多路选择器的电路图为
>
以下为2选1多路选择器的真值表，其中s为控制信号，d0，d1为两个输入信号，y为输出信号。当s为低电平时，输出y=d0，当s为高电平时，输出y=d1。

输入d0	输入d1	输入s	输出y
0	0	0	0
0	1	0	0
1	0	0	1
1	1	0	1
0	0	1	0
1	0	1	0
0	1	1	1
1	1	1	1

请参考真值表构建一个二选一多路选择器，要求组合逻辑实现。

module top_module(
    // 输入信号d0
    input d0,
    // 输入信号d1
    input d1,
    // 选择信号s
    input s,
    // 输出信号y
    output y
);

题目大意：当 s1 时，y=d1. 当 s0 时，y==d0.

也就是说这里需要用到的语法是逻辑判断和条件结构。

先说逻辑判断，和c语言类似，==判断两个变量是否值相等，>= <= < > 判断大小比较，!= 判断是否不相等，表达式返回结果是1 或 0.

再说 if else 条件判断语句。

always @(*) begin	// always 这里是固定语法，if for case 都要嵌套在 always end 里面，先记住就好
    if(condition) begin
        
    end
    else if(condition) begin
        
    end
    else(condition) begin
        
    end
end

如果if 后面只有一个执行语句，可以省去 begin end。

always @(*) begin	
    if(condition) 
    	statement;
    else if(condition) 
        statement;
    else(condition) 
        statement;
end

然后还需要介绍两个数据类型：wire 和 reg。

我们前面赋值基本都是直接给 output 类型输出赋值的，这是没有问题的。但是如果我们需要自己定义一个中间变量，用 assign 赋值，必须定义为 wire 类型，因为规定如此，只有 wire 数据类型可以被 assign 赋值。

wire[3:0] out_temp;
assign out_temp[3]=1;

而在 always end 内部如果我们想给变量赋值，还不太一样。首先，always 内部不能用 assign 赋值。

然后，always 内部只有 reg 数据类型可以被赋值，output 变量都不行。

module top_module(output out);
always @(*) begin
	assign out=1;//wrong
end
endmodule

解决方法如下三种：

module top_module(output out);
reg out_temp;
always @(*) begin
	out_temp=1;//success, 不用 assign 直接赋值
end
    assign out=out_temp;//success
endmodule 

module top_module(output reg out);
    always @(*) begin
	out=1;//success,out 是 output （输出）类型，reg 数据类型的变量
end
endmodule 

module top_module(output out);
reg out;//和第二种方法等效
    always @(*) begin
	out=1;//success
end
endmodule 

所以此题我们可以在 always if 的条件判断里先赋给一个临时变量，always 结束后再赋值给 output y。

命名的话有人用 _r 表示是一个 reg 变量，有人用 _t 代表是一个临时的变量。

  reg y_r;
  always @(*) begin
    if(s==1)
      y_r=d1;
    else 
      y_r=d0;
  end
  assign y=y_r;

除了 if，还可以使用 case。case 重在对于一个数的不同的值的比较。

  reg y_r;
  always @(*) begin
      case(s)//根据s的值判断执行什么语句
      1:y_r=d1;//s==1要执行的内容
      0:y_r=d0;//s==0要执行的内容
      default:;//如果不满足以上情况需要执行的内容。default 必须写
      endcase//结束 case 语句，必须写
  end
  assign y=y_r;

还可以使用三目运算符，这是最简单的一个条件判断式。形如：(condition)?如果condition为true要执行的语句:如果condition为false要执行的语句; 这个语句也不用在 always 里。

assign y=(s)?d1:d0;

例7：P1236 D触发器

D触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。
因此，D触发器在数字系统和计算机中有着广泛的应用。触发器具有两个稳定状态，即"0"和"1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
D触发器有集成触发器和门电路组成的触发器。触发方式有电平触发和边沿触发两种，前者在时钟脉冲=1时即可触发，后者多在时钟脉冲的前沿（正跳变0→1）触发。
D触发器的次态取决于触发前D端的状态，即次态=D。因此，它具有置0、置1两种功能。
对于边沿D触发器，由于在时钟脉冲=1期间电路具有维持阻塞作用，所以在时钟脉冲=1期间，D端的数据状态变化，不会影响触发器的输出状态。
D触发器应用很广，可用做数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生器等等。

以下1bit D触发器的真值表：

输入		输出
d	clk	q
0	上升沿	0
1	上升沿	1
x	下降沿	保持不变
x	0	保持不变
x	1	保持不变

请根据以上真值表构建一个1比特时钟上升沿触发的D触发器。

这里主要是涉及到“上升沿”和“下降沿”信号的处理。

always @(*) begin 的意思是括号内的条件满足时，就会触发。如果是 * ，就是信号变化时就触发后跟的语句。

如果括号内换成上升沿或下降沿的条件，就可以在上升沿和下降沿触发某些指令。

语法：posedge clk，指时钟上升沿触发；negedge clk，指时钟下降沿触发。

module top_module(
    // D触发器数据输入端
    input d,
    // D触发器时钟输入端
    input clk,
    // D触发器数据输出端
    output q
);

	reg tmp;
  	always@(posedge clk) begin
    	tmp \<\= d;
  	end
	assign q = tmp;
    
endmodule

这里可以注意到使用了一个奇怪的赋值符号：<=。他的意思是这个符号赋值的变量不是按顺序赋值的，而是同一时间赋值的。这种赋值叫非阻塞赋值，而=叫阻塞赋值，即串行进行赋值。

例8：P1246 4位移位寄存器

移位寄存器内的数据可以在移位脉冲（时钟信号）的作用下依次左移或右移。移位寄存器不仅可以存储数据，还可以用来实现数据的串并转换、分频，构成序列码发生器、序列码检测器，进行数值运算以及数据处理等，它也是数字系统中应用非常广泛的时序逻辑部件之一。

移位寄存器按数据移位方向分类：可以分为左移寄存器和右移寄存器。请构建一个位宽为4位的移位寄存器，既能实现左移寄存器，又能实现右移寄存器。左移寄存器其功能为当时钟上升沿到达时，输入信号的最高位移位到最低位，其余各位依次向左移动一位。同理，右移寄存器其功能为当时钟上升沿到达时，输入信号的最低位移位到最高位，其余各位依次向右移动一位。

其中ena为移位方向使能信号，当ena值为1时，实现右移寄存器；当ena值为2时，实现左移寄存器。d为输入端数据信号，q为输出端数据信号。

这道题，对于时钟信号的上升沿我们已经学过语法了，难的地方在于怎么实现“移位”。

移位不是单纯的 << >> ，因为这样不会把移溢出的位放到另一侧，而是直接补0或1. 如果想实现循环移位，需要我们手动赋值，比如d[15:0]，新赋值后的寄存器值={d[3:0],d[15,4]}，左移同理。

module top_module(
    // 输入时钟
    input clk,
    // 全局复位高有效
    input rst,
    // 移位方向使能信号
    input [1:0] ena,
    // 输入数据
    input [3:0] d,
    // 输出数据
    output [3:0] q
);


// write your code here

reg[3:0] q_r;
always @(posedge clk) begin
  	if(rst) q_r<=4'b0;
    else if(!ena) q_r<=4'b0;
    else if(ena==1) begin
    	q_r<={d[0],d[3:1]};
	end
    else if(ena==2) begin
    	q_r<={d[2:0],d[3]};
  	end
end
assign q=q_r;

endmodule