前言：对于以前学过C/C++/C#的作者来讲，Verilog的基础语法算是特别简单的。本文主要介绍Verilog的基础语法和Modelsem仿真。

Verilog的基础语法

1 模块声明

FPGA开发是以模块为基础的，每个可综合的.v文件都是一个模块，模块由module和endmodule来声明。在这两个关键字的内部，完成模块功能的实现。

在Vivado的一个空项目中，新建一个.v源文件，会自动生成以下代码（我把多余的注释删除了）

`timescale 1ns / 1ps	// 这行以后代码经常会见，表示时间单位是1ns，精度是1ps    


module verilog_base(	// module 模块名(
	...		            // 定义模块的输入输出接口
);			            // );
endmodule		        // endmodule

下面以一个与门为例，进一步演示如何声明一个模块。

`timescale 1ns / 1ps	        // 这行以后代码经常会见，表示时间单位是1ns，精度是1ps    


module verilog_base(
	input		wire		a,	// input表示这是模块的输入接口  wire是变量类型 a是变量名，除最后一个变量定义外，都以‘,’结束
	input		wire		b,
	output		wire		c	// output表示这是模块的输出接口 wire是变量类型 c是变量名，最后一个变量定义，不以‘,’结束
);

assign c = a & b;				// 完成与门的组合逻辑幅值

endmodule

2 变量类型

在Verilog开发中有两种数据类型，一种是wire (线)，一种是reg (寄存器)。在数字电路中信号只有两种形态，一种是传输，一种是存储。传输是通过连接线，存储是用寄存器，因此也就清楚了在Verilog中常用了wire和reg变量了。wire和reg变量模型如下图所示：

wire型变量在物理结构上只是一根线，在Verilog描述时，对线型变量赋值用assign即可，相对简单。

C语言赋值我直接 a = b; Verilog赋值得在前面加关键字。 assign a = b;

reg型变量左端有一个输入端口D，右端有一个输出端口Q，并且reg型存储数据需要在clk(时钟)沿的控制下完成。 clk也即是我们常说的方波，它由晶振产生，是我们描述数字电路是最基本的时间单元，它周期固定，占空比一般为50%（高电平占整个周期的比例）。clk的低电平用数字0表示，高电平用1表示，从低电平转变到高电平的过程叫做上升沿，从高电平转变到低电平的过程叫做下降沿。

在对reg型变量赋值时，必须在always块内完成，可以选择用时钟上升沿，也可以选择时钟下降沿，具体用上升沿还是下降沿可以根据需要定。下面尝试把第一节给出的与门例子的输出定义成reg型，实现两个输入相与之后将结果传输给寄存器的功能。即

Verilog代码如下：

`timescale 1ns / 1ps	// 这行以后代码经常会见，表示时间单位是1ns，精度是1ps    


module verilog_base(
	input		wire		clk,	// 系统时钟输入，由晶振提供
	input		wire		a,
	input		wire		b,
	output		reg		    c	    // 将输出的类型改成reg
);

// reg型变量的赋值必须要在always块里面，注意：赋值符号不是'=',而是 '<='。
always @(posedge clk) begin
	c <= a & b;
end

endmodule

在always块中，@(posedge clk)表示的是，每当遇到clk的上升沿时，执行always块中的语句。

c <= a & b;中的'<='表示的是非阻塞赋值。Verilog中有两种赋值方式：

1 '<=' 非阻塞赋值适用于给reg变量赋值，always块 - 时序逻辑

2 ‘=’ 阻塞赋值适用于给wire变量赋值，assign块 – 组合逻辑

阻塞赋值时，输入改变输出是同时改变，在非阻塞赋值中，只有在时钟变化的时候，输出才会发生变化。

begin-end其作用与C C++ C#中的{}是一样的，在Verilog中，就可以视begin-end为{}。

3 多位宽数据表示

在数字电路中，所有数据最终都是以二进制形式呈现的，二进制和十进制都只是一种数据的表达方式，同一个数据无论用二进制还是十进制来表达，本质上代表的值是一样的。十进制数据是0到9组成，二进制是0，1组成。比如5，它的二进制是3’b101，十进制是’d5。二进制的每一个0/1叫做1位，若想知道数据是多少位。可以用计算器看。

如果我要表示53698745这个数，就需要26个位。那么在定义的时候就要像下面这样定义

wire [25:0] data;
reg [25:0] data;
wire [26:1] data;
reg [26:1] data;

一般推荐最低位都是从0开始，也就是[25:0]这种写法。

4 赋值语句

前面第二小节已讲了一些相关内容。assign 和 always分别用于组合逻辑的赋值和时序逻辑的赋值。还有一种initial，一般仅用于仿真文件中。

initial 语句是初始化语句，会在上电（电路刚刚运行时）执行一次，不会循环执行。在电路中只有可以存储数据的寄存器才有初始化的必要，所以initial 语句中被赋值的变量也必须为reg。某些第三方综合软件认为initial 是不可以被综合的，也就是说不可以被写到功能文件中的，所以为了代码的兼容性，我们尽量只在测试文件中写initial 语句。示例代码如下所示。

reg	clk;
initial begin
	clk = 0;
	forever #(5) clk = ~clk;    // forever和always的区别是 forever仅用于仿真
end

示例代码产生的是周期为10ns的时钟信号。

5 运算符

5.1 关系运算符（< 、<= 、== 、>= 、> 、!=）

C语言中可以用if(2<a<6)，但Verilog只能用if(a>2 && a<6)，其余一致

5.2 逻辑运算符（&& 、||、！）

逻辑运算符与C 语言中一致：对于&& 只有参与运算的两个数据都为真时，结果才为真，对于|| 只要参与运算的两个数据由一个为真，结果就为真。（！）进行的时逻辑取反。

5.3 位运算符（& 、|、 ~）

位运算是对二进制的运算，运算时，需要将数据都转换位二进制后才能进行计算。当位宽不一样时，位宽少的在高位补0。

5.4 条件运算符

如：assign a = (b>6)?1’b1:1’b0;

当b 大于6 时，a 等于1，否则a 等于0；

5.5 赋值运算符

前面已经介绍过Verilog 中的赋值运算符，<= 和=，其中<= 是非阻塞赋值，用于时序逻辑，=是阻塞赋值，用于组合逻辑。

5.6 移位运算符(<< 、>>)

>>为向右移位，每次右移一位，数据高位补零，向下溢出的数据丢弃。<<与之相反。

5.7 位拼接运算符（{}）

位拼接运算符，可以将不同数据的位拼接成一个新的数据。

reg[3:0] a = 4'b0110;
reg[4:0] b = 5'b10110;
reg[4:0] c;

always@(posedge clk) begin
	c <= {b[1],a[1:0],b[3],b[1]};
end

拼接完成后，c = 5’b11001;

6 条件判断

同一个变量可以在不同的情况下获得不同的值，不同的情况需要判断语句来描述。Verilog HDL 中经常使用的判断语句有if else 语句和case endcase 语句，两种判断语句必须写在always 语句中，不能写在assign 中。

6.1 If-else

if-else 语句与C 语言当中的使用方法类似。

always@(posedge clk)begin
	if(a==1) begin
		b <= 1;
	end
	else if(a==2) begin
		b <= 2;
	end		
	else if(a==3) begin
		b <= 3;
	end
	else if(a==4) begin
		b <= 4;
 	end
 	else if(a==5) begin
 		b <= 5;
 	end
 end

if else 叠加不易过多，不然可能造成线路的延时过多。每一个if else 语句都会生成一选择器，当if else 过多时，选择器链路就会很长，而每两级选择器之间都会有线路的延时，当链路过多时，造成的延时就会很多，这样对于描述的电路的时序影响会很大，时序出问题时，就算是功能仿真正确，下板后电路也是不正确的。

使用if-else 语句时需要考虑优先级的顺序，优先执行的条件放在上方，优先级较低的条件放在后方。最好还是用case吧。

6.2 Case 语句

Verilog的case语句和C语言的switch case类似，在if-else 级数过多的情况下，也可以使用case 语句，case 语句生成的是多路器。

always@(posedge clk) begin
	case(a)
		0: 
			b <= 0;
		1: 
			b <= 1;
		2: 
			b <= 2;
		default:
			b <= 0;
	endcase
end

Case 语句以case 开始，以endcase 结尾，在其之间，列出要判断的条件，根据条件的值，执行对应的代码。

Modelsem仿真

1 编写仿真程序

新建一个空白的项目的流程在上一篇博客中已经讲过了，这里不在赘述。按照下面的操作流程，新建一个仿真文件。

Sublime Text （编辑软件）可以利用源文件自动生成仿真文件。

仿真程序输入要用reg型，输出要用wire型

再次强调initial语句也常用在仿真文件，请尽量不要在实际的功能模块中使用。

`timescale 1ns/1ps
module tb_verilog_base (); /* this is automatically generated */

    reg  a;
    reg  b;
    wire  c;

    verilog_base inst_verilog_base (.a(a), .b(b), .c(c));


    initial begin
        a = 0;
        b = 0;

        #100; // 延时100ns

        a = 1;
        b = 0;

        #100; 

        a = 0;
        b = 1;

        #100;
        a = 1;
        b = 1;
    end
endmodule

2 Vivado仿真流程

从仿真中我们可以看到，assign赋值是立即生效的。

3 Modelsem仿真流程

Modelsem软件安装及编译相关的库文件等操作，请参考Vivado：【1】Vivado 2018.3 配置ModelSim仿真_Alex-YiWang的博客-CSDN博客

正常人都能看出来Modelsem的原始界面是比vivado丑的，但Modelsem的界面是可以配置的，可自行查找相关资料。

4 时序逻辑仿真

源文件

`timescale 1ns / 1ps	// 这行以后代码经常会见，表示时间单位是1ns，精度是1ps    


module verilog_base(
	input		wire		clk,	// 系统时钟输入
	input		wire		a,
	input		wire		b,
	output		reg		    c	    // 将输出的类型改成reg
);


// reg型变量的赋值必须要在always块里面，注意：赋值符号不是'=',而是 '<='。
always @(posedge clk) begin
	c <= a & b;
end

endmodule

仿真文件

`timescale 1ns/1ps
module tb_verilog_base (); /* this is automatically generated */

    reg  clk;
    reg  a;
    reg  b;
    wire  c;

    verilog_base inst_verilog_base (
        .clk(clk), 
        .a(a), 
        .b(b), 
        .c(c)
    );

    initial begin
        clk = 0;
        forever #(5) clk = ~clk;
    end


    initial begin
        a = 0;
        b = 0;

        #100; // 延时100ns

        a = 1;
        b = 0;

        #100; 

        a = 0;
        b = 1;

        #100;
        a = 1;
        b = 1;
    end

endmodule

仿真结果