硬件描述语言Verilog_HDL基础新

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第 3 章 Verilog HDL 基础知识

第三章
Verilog 基础知识
module D_ff(q，data，enable，reset，clock)； output q； input data，enable，reset，clock； reg q； always @(posedge clock) //时钟上升沿有效 if (reset == 0) q = 1’b0； else if (enable==1) q = data； //隐含： else q = q： endmodule
第三章
Verilog 基础知识
3) 指定位宽的基数格式这种格式的表示形式为： <size>’<base_format><number> 参数<size>用来指定所表示数的位宽。当位宽小于数值的实际位数时，相应的高位部分被忽略；当位宽大于数值的实际位数，且数值的最高位是 0 或 1 时，相应的高位部分补0；而当位宽大于数值的实际位数，但数值的最高位是 x 或 z 时，相应的高位部分补 x 或z。二进制的一个 x 或 z 表示 1 位处于 x 或 z，八进制的一个 x 或 z 表示 3 位二进制位都处于 x 或 z，十六进制的一个 x 或 z 表示 4 位二进制位都处于 x 或 z。另外，数值中的 z 可以用“ ？” 来代替。
第三章
Verilog 基础知识
第3章
Verilog HDL 基础知识
希望通过本章的介绍，能够对 Verilog HDL 有初步的了解。 (1)词法：包括间隔符与注释符、数值、字符串与关键字。 (2)数据类型：包括物理数据类型与抽象数据类型。 (3)运算符：包括算术运算符、逻辑运算符、关系运算符、相等关系运算符、按位运算符、归约运算符、移位运算符、条件运算符、连接与复制操作及其优先级。 (4)系统任务与系统函数：包括标准输出任务、文件管理任务、仿真控制任务、时间函数及其他常用函数。 (5)编译指令：宏编译指令、文件包含指令、条件编译指令、时间定标指令与工作库定义指令。

硬件描述语言 Verilog HDL

端口声明，参数声明<可选>
`include指令
变量声明（wire,reg及其它类型）数据流语句（assign）低层模块的实例过程块always和initial（包含所有的行为语句）任务（task）和函数（function）
endmodule; 模块结束语句
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4.3.3 模块和端口
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4.3.3 模块和端口
3．$stop任务和$finish任务
۞ $stop任务使得仿真被挂起（例：暂停仿真以检查信号值）
۞ $finish任务将结束仿真，并退出仿真环境
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4.3.3 系统任务和系统函数
常用的几个系统任务和系统函数：
4．时间函数：$time ，$stime ，$realtime 5．$random函数
32
4.4.2 数据类型
2．变量（Variable）类型（reg、integer、time、real、realtime）数据存储单元的抽象，下一次赋值前，变量的值保持不变（1）寄存器（reg）变量类型
۞ 对应具有状态保持作用的硬件电路，如触发器、锁存器等
۞ 声明形式：reg [msb:lsb] reg1,reg2,...regN;
3
4.1 HDL简介
4.1.1 关于HDL（硬件描述语言）
使用HDL ۞用一种高级语言来表达大规模集成电路的功能，隐藏
其具体实现的细节，对数字电路和数字逻辑系统能够进行形式化的描述。 ۞提高逻辑设计效率，降低设计成本，缩短设计周期。 ۞多方位的仿真可以在设计完成之前检测到其错误，减少设计重复的次数，使第一次投片便能成功实现芯片成为可能。 ۞使检测各种设计方案变得容易和方便，对方案的修改只需要修改HDL程序，比修改原理图容易得多。

硬件描述语言

硬件描述语言硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，HDL），是一种特殊的编程语言，旨在帮助设计人员（称作HDL程序员）创建电子系统的软硬件。

它支持现在最先进的电子系统，并能够提供开发方案，以更快地实现目标，更有效地使用更少的资源，并且更稳定地完成任务。

HDL是一种高级程序设计语言，由若干种编程语言构成，其中包括Verilog，VHDL, SystemVerilog等。

HDL语言描述技术主要用于描述单片机或模拟集成电路（IC）中的复杂电路结构和功能。

它以硬件参数、原语和结构描述为基础，能够描述逻辑系统的底层电路，比如门逻辑、触发器、多路选择器、比较器等。

HDL具有许多优点，能够极大地降低电路设计的困难程度，同时简化设计的复杂性和过程，可以提高设计效率和提升最终产品的性能。

HDL提供方便的调试和测试功能，可以支持电路设计过程管理，减少产品设计和开发的工作量。

此外，HDL能够提供标准、可重用的描述，以及可读性好的语法，可以显著简化设计过程。

HDL的另一个重要优点是，它可以帮助HDL程序员创建更复杂、更现代化的电路设计，而不需要编译器和其它复杂的程序设计开发工具。

HDL可以提供电路设计过程中所需的所有功能，包括定义电路功能，输入输出管理，系统级构建，网络结构，状态机控制，信号处理，数据传输等。

它还利用可视化技术以及带有标准和完善的接口，能够更快地识别和定位问题，大大降低了调试产品的时间。

HDL的另一个优点在于，它具有许多可扩展性，无需为每个项目开发新的硬件。

HDL能够有效地管理工厂现有的系统设计，例如将新的硬件模块添加到已有的电路框架中，并且能够有效地利用已有的硬件，尽可能减少更改硬件布局的时间。

当今，HDL已经成为电子行业中最专业化的编程语言，并被广泛应用于微处理器、嵌入式系统、数字信号处理（DSP）、模拟信号处理（ASP）、网络交换、存储器系统，以及其它领域。

HDL在加速设计过程、改善产品质量、减少产品成本方面十分有用，是现今许多企业进行电子产品设计的重要工具。

VerilogHDL语法基础

VerilogHDL语法基础⼀个复杂电路的完整Verilog HDL模型是由若个Verilog HDL 模块构成的，每⼀个模块⼜可以由若⼲个⼦模块构成。

利⽤Verilog HDL语⾔结构所提供的这种功能就可以构造⼀个模块间的清晰层次结构来描述极其复杂的⼤型设计。

每个模块的内容都是嵌在module和endmodule两个语句之间，每个模块实现特定的功能，模块是可以进⾏层次嵌套的。

每个模块⾸先要进⾏端⼝定义．并说明输⼊(input)和输出(output)，然后对模块的功能进⾏逻辑描述。

Verilog HDL程序的书写格式⾃由，⼀⾏可以写⼏个语句，⼀个语句也可以分多⾏写。

除了endmodule语句外，每个语句的最后必须有分号。

⼀个模块是由两部分组成的，⼀部分描述接⼝；另⼀部分描述逻辑功能，即定义输⼊是如何影响输出的。

模块(block)的组成Verilog HDL结构完全嵌在module和endmodule声明语句之间，每个Verilog程序包括4个主要部分：端⼝定义，I／O说明，信号类型声明和功能描述。

module<模块名>(<端⼝列表>)；端⼝说明(input,output,inout)参数定义(可选)数据类型定义连续赋值语句(assign)过程块(initial 和 always)⾏为描述语句低层模块实例任务和函数延时说明块endmodule模块声明模块声明包括模块名和端⼝列表。

其格式如下：module 模块名（端⼝１，端⼝２，端⼝３，…）；模块结束的标志为关键字：endmodule。

端⼝定义input(输⼊端⼝),output(输出端⼝)和inout(双向端⼝)。

格式如下：input 端⼝名1，端⼝名2，………,端⼝名N; //输⼊端⼝output 端⼝名1，端⼝名2，………,端⼝名N; //输出端⼝inout 端⼝名1，端⼝名2，………,端⼝名N; //输⼊输出端⼝也可以写在端⼝声明语句⾥,其格式如下(为了代码的可读性，⼀般不这么写)：module module_name(input port1,input port2,…output port1,output port2… );信号类型说明信号可以分为端⼝信号和内部信号；1. 所有信号都必须进⾏数据类型的定义，如寄存器类型（reg等）,连线类型（wire等）；2. 如果信号没有定义数据类型，则综合器将其默认为wire型；3. 端⼝的位宽最好定义在端⼝定义中,不要放在数据类型定义中；4. 不能将input和inout类型声明为reg型；模块的端⼝表⽰的是模块的输⼊和输出⼝名，也就是说，它与别的模块联系端⼝的标识。

Verilog-HDL中的基本语法

⑤ 可以用/*……*/或//……对Verilog HDL程序的任何部分作注释。
一个完整的源程序都应当加上需要的注释，以加强程序的可读性。
2.2 Verilog HDL的语法
2.2.1 空白符和注释
Verilog HDL的空白符包括空格、tab符号、换行和换页。
空白符如果不是出现在字符串中，编译源程序时将被忽略。
8. 条件操作符(Conditional operators)
条件操作符为：？：
条件操作符的操作数有3个，其使用格式为
操作数 = 条件？表达式1：表达式2；
即当条件为真（条件结果值为1）时，操作数 = 表达式1；为假（条件结果值为0）时，操作数 = 表达式2。
9. 位并接操作符（Concatenation operators）并接操作符为：｛｝并接操作符的使用格式：｛操作数1的某些位，操作数2的某些位，…，操作数n 的某些位｝；
位运算操作符包括：~（按位取反）、&（按位与）、 |（按位或）、^（按位异或）、^~或~^（按位同或）。
在进行位运算时，当两个操作数的位宽不同时，计算机会自动将两个操作数按右端对齐，位数少的操作数会在高位用0补齐。
4. 关系操作符（Pelational operators）
关系操作符有：
<（小于）、<=（小于等于）、>（大于）、>=（大于等于）。
② 每个模块首先要进行端口定义，并说明输入（input）、输出（output）或双向（inouts），然后对模块的功能进行逻辑描述。
③ Verilog HDL程序的书写格式自由，一行可以一条或多条语句，一条语句也可以分为多行写。
④ 除了endmodule语句外，每条语句后必须要有分号“；”。

VerilogHDL硬件描述语言HardwareDescriptionLanguage

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状态机设计实例
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状态机设计实例
综合结果
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Mealy 型有限状态机的verilog描述
时序输出
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Mealy 型有限状态机的verilog描述
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有限状态机设计的一般步骤：
1)逻辑抽象，得出状态转换图。
就是把给出的一个实际逻辑关系表示为时序逻辑函数，可以用状态转换表来描述，也可以用状态转换图来描述。这就需要：
• 分析给定的逻辑问题，确定输入变量、输出变量以及电路的状态数。通常是取原因（或条件）作为输入变量，取结果作为输出变量。
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Moore型有限状态机
描述－2：组合电路输出
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Moore型有限状态机的verilog描述
描述－2：综合结果
只推导出两个触发器，用于保存状态机的状态值（Moorestate）。
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Mealy型有限状态机的verilog描述
组合电路输出
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Mealy型有限状态机的verilog描述
推导出两个触发器用于保存状态机的状态值（Mealystate）。描述Mealy状态机的最佳方式之一是使用两条always语句，一条用于描述时序逻辑，一条用于描述组合逻辑（包括次态逻辑和输出逻辑），输入上的任何变化都会直接影响被描述成组合逻辑的输出。
• 究竟转向哪一状态还是留在原状态不但取决于各个输入值，还取决于当前所在状态。
• 有限状态机分为Mealy型有限状态机，和Moore型有限状态机。
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Moore型有限状态机
输出由状态决定，与输入信号无关
下一个下一状态状态现状态
状态逻辑
寄存器
组合逻辑
时序逻辑
输出电路

hdl硬件描述语言

hdl硬件描述语言
HDL是Hardware Description Language的缩写，即硬件描述语言。

它是一种用于描述数字电路的语言，包括了数字电路的功能、结构和行为等方面。

HDL 通常用于设计和模拟数字电路，以帮助工程师更好地理解数字电路的功能和性能，并在设计电路时提供一种有效的工具。

在HDL中，通常使用的是高级语言来描述电路的功能和行为，比如Verilog和VHDL。

这些语言提供了一些强大的特性，如模块化设计、层次结构、波形仿真等，使得电路的设计和测试变得更加高效、方便和准确。

HDL的设计流程通常包括以下几个步骤：首先，需要将所需的电路功能转化为模块化的设计，比如将复杂的电路分解为多个子模块；其次，需要使用HDL语言编写每个模块的描述，包括模块端口定义、内部逻辑和功能描述等；接下来，需要进行波形仿真以验证电路的功能和性能；最后，需要将HDL代码转化为实际的硬件电路，比如使用FPGA或ASIC等技术将代码烧入硬件芯片中。

总之，HDL是一种用于描述数字电路的语言，它可以帮助工程师更好地理解和设计数字电路，提高电路设计和测试的效率和准确性。

Verilog-HDL基础知识

Verilog-HDL基础知识第⼆章 Verilog-HDL基础知识1.Verilog-HDL概述1.1 什么是硬件描述语⾔（HDL）HDL：Hardware Description Language硬件描述语⾔HDL是⼀种⽤形式化⽅法描述数字电路和系统的语⾔，可以描述硬件电路的功能、信号连接关系和定时关系。

1.2 使⽤HDL的优点电路的逻辑功能容易理解；便于计算机对逻辑进⾏分析处理；把逻辑设计与具体电路的实现分成两个独⽴的阶段来操作；逻辑设计与实现的⼯艺⽆关；逻辑设计的资源积累可以重复利⽤；可以由多⼈共同更好更快地设计⾮常复杂的逻辑电路（⼏⼗万门以上的逻辑系统）。

1.3 Top_Down设计思想1.4 Verilog-HDL简介1.4.1 Verilog HDL的发展1.4.2 Verilog-HDL与VHDL的⽐较☆ VHDL－VHSIC Hardware Description Language。

VHDL于 1987年成为IEEE标准。

☆ Verilog-HDL简单易学，语法⽐较灵活。

VHDL语法严谨，需要较长的时间学会。

☆ Verilog-HDL在系统抽象⽅⾯⽐VHDL略差，但在门级开关电路描述⽅⾯⽐VHDL强。

1.4.3 Verilog-HDL 的应⽤ASIC和FPGA设计师可⽤它来编写可综合的代码。

描述系统的结构，做⾼层次的仿真。

验证⼯程师编写各种层次的测试模块对具体电路设计⼯程师所设计的模块进⾏全⾯细致的验证。

库模型的设计：可以⽤于描述ASIC 和FPGA的基本单元（Cell）部件，也可以描述复杂的宏单元（Macro Cell）。

1.4.4 Verilog-HDL的抽象级别⽤Verilog-HDL描述的电路设计就是该电路的Verilog HDL模型，这些模型可以是实际电路的不同级别的抽象，这些抽象的级别和它们对应的模型类型共有以下五种：?系统级(system): ⽤⾼级语⾔结构实现设计模块的外部性能的模型。

硬件描述语言Verilog HDL

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6.2 Verilog HDL 入门 6.2.1 Verilog HDL 的基本结构 6.2.2 简单 Verilog HDL 实例
9
6.2.1 Verilog HDL的基本结构
Verilog 使用大约100个预定义的关键词定义该语言的结构 1. VerilogHDL 程序由模块构成。每个模块的内容都是嵌在关键词module和 endmodule两个语句之间。每个模块实现特定的功能。 2. 每个模块先要进行端口的定义，并说明输入（input) 、输出（output)和双向（inout)，然后对模块功能进行描述。 3. 除了endmodule语句外，每个语句后必须有分号。 4. 可以用/* --- */和//…..，对VerilogHDL程序的任何部分做注释。
例 2选1数据选择器的程序实例
a
0 out
b
1
sel
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module mux2_1(out, a, b, sel) ;
output out;
数
input a, b; input sel;
assign out= sel ? b : a;
据流描述
endmodule
module mux2_1(out, a, b, sel) ;
VHDL 和Verilog 的功能较强，属于行为(功能)描述语言。两种HDL均为IEEE标准。特别是Verilog HDL的语法来源于C语言，它较 VHDL 好用好学。
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6.1 概述 6.2 Verilog HDL入门 6.3 Verilog HDL基本语法规则 6.4 Verilog HDL结构级建模 6.5 Verilog HDL数据流建模 6.6 Verilog HDL行为级建模 6.7 数字钟电路设计

硬件描述语言verilog_HDL基础

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1.4 Verilog 目前的应用情况和适用的设计
Verilog 较为适合系统级(System)、算法级(Alogrithem)、寄存器传输级(RTL)、逻辑 (Logic)、门级(Gate)和电路开关级(Switch)的
设计，而对于特大型（千万门级以上）的系统级(System)设计，则VHDL更为合适。
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1.5 采用 Verilog HDL 设计复杂数字电路的优点
1.5.1 传统设计方法——电路原理图输入法
采用电路原理图输入法进行设计，周期长、需要专门的设计工具、需手工布线等。这种低水平的设计方法大大延长了设计周期。
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1.5.2 Verilog HDL 设计法与传统的电路原理图输入法的比较
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什么是硬件描述语言
具有特殊结构能够对硬件逻辑电路的功能进行描述的一种高级编程语言
这种特殊结构能够：
描述电路的连接描述电路的功能在不同抽象级上描述电路描述电路的时序表达具有并行性
HDL主要有两种：Verilog和VHDL
Verilog起源于C语言，因此非常类似于C语言，容易掌握 VHDL格式严谨 VHDL出现较晚，但标准化早。IEEE 1706-1985标准。
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概述
Verilog HDL行为描述语言具有以下功能：
• 可描述顺序执行或并行执行的程序结构。 • 用延迟表达式或事件表达式来明确地控制过程的启动时间。 • 通过命名的事件来触发其它过程里的激活行为或停止行为。 • 提供了条件如if-else、case、循环程序结构。 • 提供了可带参数且非零延续时间的任务(task)程序结构。 • 提供了可定义新的操作符的函数结构(function)。 • 提供了用于建立表达式的算术运算符、逻辑运算符、位运算符。 • Verilog HDL语言作为一种结构化的语言也非常适合于门级和开关级的模型设计。

Verilog硬件描述语言Verilog HDL设计方法概述

建模能力的比较
1.4 Verilog HDL目前的应用情况和适用的设计
在美国，在高层逻辑电路设计领域Verilog HDL和 VHDL的应用比率是60％和40％，在其它地区各为 50％。Verilog HDL是专门为复杂数字逻辑电路和系统的设计仿真而开发的，本身就非常适合复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合。由于Verilog HDL在其门级描述的底层，也就是在晶体管开关的描述方面比VHDL有强得多得功能，所以即使是 VHDL的设计环境，在底层实质上也是由Verilog HDL描述的器件库所支持的。
近年来，FPGA和ASIC的设计在规模和复杂度方面不断取得进展，而对逻辑电路及系统的设计的时间要求却越来越短。这些因素促使设计人员采用高水准的设计工具，如：硬件描述语言(Verilog HDL或VHDL)来进行设计。
1.5.2. Verilog HDL设计法与传统的电路设计法与传统的电路原理图输入法的比较
采用电路原理图输入法进行设计，具有设计的周期长，需要专门的设计工具，需手工布线等缺陷。而采用Verilog HDL设计时具有以下优点： 1、设计者可以在非常抽象的层次上对线路进行描述而不必选择特定的制造工艺。逻辑综合工具可以将设计自动转换成任意一种制造工艺版图。如果出现新的制造工艺，设计者不必对电路进行重新设计，只要将RTL级描述输入综合工具，即可生成针对新工艺的门级网表。（工艺无关性）。
硬核(Hard Core) 在某一种专用半导体集成电路工艺的（ASIC）器件上实现的经验证是正确的总门数在5000门以上的电路结构掩膜，称之为 “硬核”。为了逻辑电路设计成果的积累，和更快更好地设计更大规模的电路，发展软核的设计和推广软核的重用技术是非常有必要的。新一代的数字逻辑电路设计师必须掌握这方面的知识和技术。

VerilogHDL语言基础教材教学课件

IEEE标准
1990年代，Verilog HDL成为IEEE标准，并不断发展完善。
新版本
随着数字电路设计的发展，Verilog HDL不断推出新版本，支持更高级的硬件描述和验证功能。
Verilog HDL的历史和发展
01
02
03
04
ASIC设计
在ASIC设计中，Verilog HDL用于描述数字电路的结构和行为。
FPGA设计
在FPGA设计中，Verilog HDL用于描述逻辑块、路由和IO接口等。
仿真验证
Verilog HDL还用于数字电路的仿真验证，通过模拟电路的行为来检测设计中的错误和缺陷。
学术研究
在数字电路和系统设计领域，Verilog HDL广泛应用于学术研究、教学和实验中。
Verilog HDL的应用领域
测试平台编写是指编写用于测试Verilog设计的测试平台代码。测试平台代码可以使用Verilog语言编写，并使用仿真测试平台进行测试和验证。
仿真测试平台
测试平台编写
仿真和测试平台
Verilog HDL设计实例
04
组合逻辑设计
总结词：组合逻辑设计是Verilog HDL中最基础的设计之一，主要用于实现逻辑函数。
02
数字系统设计涉及逻辑门、触发器、寄存器、组合逻辑、时序逻辑等基本数字逻辑单元的设计和组合，Verilog HDL语言能够方便地描述这些结构和行为。
03
数字系统广泛应用于计算机、通信、控制等领域，通过Verilog HDL语言可以实现高效、可靠的数字系统设计。
01
Verilog HDL的未来发展
发展趋势和挑战
THANKS
ASIC设计涉及逻辑设计、电路设计、物理实现等环节，Verilog HDL语言能够描述硬件结构和行为，为ASIC设计提供强大的支持。

verilog入门基础教程

0 1 x或X 或 z或Z 或逻辑0、逻辑假逻辑、逻辑1、逻辑、逻辑真不确定的值（未知状态）不确定的值（未知状态）高阻态
5．常量及其表示．整数型十进制数的形式的表示方法:表示有符号常量十进制数的形式的表示方法:表示有符号常量例如：30、－、－2 例如：30、－2 带基数的形式的表示方法: 表示常量带基数的形式的表示方法: 表示常量格式为： ><位宽 <基数符号><数值> 位宽> ><数值格式为：<＋/－><位宽>’<基数符号><数值> 例如：例如：3’b101、5’o37、8’he3，8’b1001_0011 、、， 0.1、2.0、十进制记数法如： 0.1、2.0、5.67 科学记数法如: 23_5.1e2、5E－4 、－
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.常用常用VHDL与Verilog两种语言的比较与两种语言的比较常用
能力（能力（capability）） VHDL 结构建模抽象能力强系统级－算法级－系统级－算法级－RTL级－逻辑级－门级级逻辑级－ Verilog 结构建模具体物理建模能力强算法级－算法级－RTL级－逻辑级－门级－版图级级逻辑级－门级－
2.3.1 Verilog语言的基本语法规则语言的基本语法规则
为对数字电路进行描述, 语言规定了一套完整的语法结构。为对数字电路进行描述,Verilog语言规定了一套完整的语法结构。语言规定了一套完整的语法结构的间隔符主要起分隔文本的作用， 1．间隔符: Verilog 的间隔符主要起分隔文本的作用，可以间隔符使文本错落有致，便于阅读与修改。使文本错落有致，便于阅读与修改。间隔符包括空格符（）、）、换行符换行符（间隔符包括空格符（\b）、TAB 键（\t）、换行符（\n）及换页符。换页符。 2．注释符:注释只是为了改善程序的可读性，在编译时不起作用。注释符:注释只是为了改善程序的可读性，在编译时不起作用。多行注释符(用于写多行注释): */；多行注释符(用于写多行注释): /* --- */； //开始到行尾结束为注释文字开始到行尾结束为注释文字。单行注释符 :以//开始到行尾结束为注释文字。

VERILOGHDL语言基础

VERILOGHDL语⾔基础第1节 Verilog HDL语⾔简介Verilog HDL语⾔简介Verilog HDL和VHDL是⽬前世界上最流⾏的两种硬件描述语⾔（HDL：Hardware Description Language），均为IEEE标准，被⼴泛地应⽤于基于可编程逻辑器件的项⽬开发。

⼆者都是在20世纪80年代中期开发出来的，前者由Gateway Design Automation公司（该公司于1989年被Cadence公司收购）开发，后者由美国军⽅研发。

HDL语⾔以⽂本形式来描述数字系统硬件结构和⾏为，是⼀种⽤形式化⽅法来描述数字电路和系统的语⾔，可以从上层到下层来逐层描述⾃⼰的设计思想。

即⽤⼀系列分层次的模块来表⽰复杂的数字系统，并逐层进⾏验证仿真，再把具体的模块组合由综合⼯具转化成门级⽹表，接下去再利⽤布局布线⼯具把⽹表转化为具体电路结构的实现。

⽬前，这种⾃顶向下的⽅法已被⼴泛使⽤。

概括地讲，HDL语⾔包含以下主要特征：* HDL语⾔既包含⼀些⾼级程序设计语⾔的结构形式，同时也兼顾描述硬件线路连接的具体结构。

* 通过使⽤结构级⾏为描述，可以在不同的抽象层次描述设计。

HDL语⾔采⽤⾃顶向下的数字电路设计⽅法，主要包括3个领域5个抽象层次。

* HDL语⾔是并⾏处理的，具有同⼀时刻执⾏多任务的能⼒。

这和⼀般⾼级设计语⾔（例如C 语⾔等）串⾏执⾏的特征是不同的。

* HDL语⾔具有时序的概念。

⼀般的⾼级编程语⾔是没有时序概念的，但在硬件电路中从输⼊到输出总是有延时存在的，为了描述这⼀特征，需要引⼊时延的概念。

HDL语⾔不仅可以描述硬件电路的功能，还可以描述电路的时序。

2.1.1 Verilog HDL语⾔的历史1983年，Gateway Design Automation（GDA）硬件描述语⾔公司的Philip Moorby⾸创了Verilog HDL。

后来Moorby成为Verilog HDL-XL的主要设计者和Cadence公司的第⼀合伙⼈。

《Verilog HDL硬件描述语言》实验教学大纲

《Verilog HDL硬件描述语言》实验教学大纲
课程代码：MICR3001
课程名称：Verilog HDL硬件描述语言
英文名称：Verilog HDL
实验室名称：微电子实验室
课程学时：72实验学时：18
一、本课程实验教学目的与要求
通过实验要求学生掌握用Verilog HDL硬件描述语言进行集成电路设计的流程和方法。

学会使用Max+plusⅡ，QuartusⅡ设计软件，掌握从HDL源代码的输入→编译→仿真→管脚锁定→下载全过程。

学会用ModelSim设计软件，用Verilog HDL编写测试码对设计模块进行仿真。

二、主要仪器设备及现有台套数
PC，现有35台; EDA实验箱，25套;
1、实验报告：有设计代码，仿真结果，管脚排列，验证结果。

2、考核方式：
（1）实验课的考核方式：教师验收评定成绩。

（2）实验课考核成绩:根据实验完成情况和实验报告是否完整确定，实验课成绩占课程总成绩的10%。

五、实验教材、参考书
1、教材：在编
2、参考书：J.Bhasker著，夏宇闻等译《Verilog HDL入门》.北京航空航天大学出版社.2008出版。

Verilog硬件描述语言

Verilog HDL硬件描述语言2.1 Verilog HDL概述2.1.1 Verilog HDL的特点Verilog HDL和VHDL一样，是目前大规模集成电路设计中最具代表性、使用最广泛的硬件描述语言之一。

作为硬件描述语言，Verilog HDL具有如下特点：1. 能够在不同的抽象层次上，如系统级、行为级、RTL（Register Transfer Level）级、门级和开关级，对设计系统进行精确而简练的描述；2. 能够在每个抽象层次的描述上对设计进行仿真验证，及时发现可能存在的设计错误，缩短设计周期，并保证整个设计过程的正确性；3. 由于代码描述与具体工艺实现无关，便于设计标准化，提高设计的可重用性。

如果有C语言的编程经验，只需很短的时间内就能学会和掌握Verilog HDL，因此，Verilog HDL可以作为学习HDL设计方法的入门和基础。

2.1.2 Verilog HDL的基本结构Verilog HDL描述是由模块（module）构成的，每个模块对应的是硬件电路中的逻辑实体。

因此，每个模块都有自己独立的功能或结构，以及用于与其它模块之间相互通信的端口。

例如，一个模块可以代表一个简单的门，一个计数器，一个存储器，甚至是计算机系统等。

例2-1-1 加法器的verilog描述module adder (in1, in2, sum);input in1,in2;output [1:0] sum;wire in1,in2;reg [1:0] sum;always @ (in1 or in2)beginsum=in1+in2;endendmodule从这个例子中可以看出，一段完整的代码主要由以下几部分组成：可以了解到一些基本信息，如代码中加法器的主要功能、设计工程师、完成的日期及版本。

例2-1-1的模块名是adder，有两个输入端口in1，in2和一个输出端口sum。

其中，输入信号是一位的，其数据类型声明为连线型(wire)；输出是两位的寄存器类型。

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用Verilog HDL描述组合逻辑电路
用VerilogHDL描述组合逻辑电路用VerilogHDL描述组合逻辑电路有三种不同抽象级别：
门级描述数据流描述行为级描述
VerilogHDL描述的电路就是该电路的 VerilogHDL模型。
CSLG
•门级描述：
一般使用Primitive（内部元件）、自定义的下层模块对电
0
输入1 1 0 1 x x
z
0 x
nand
0
输 1 入 x
输入1 0 1 1 1 1 0
x 1 x
z 1 x
2
x z
0 0
x x
1
1
x
x
x
x
x
x
2 z
X- 不确定状态
Z- 高阻态
CSLG
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ or真值表
or
0 输入 2 1 输入1
xor真值表
Z
X 1 输入
0
0 1
1
1 1
X
X 1
xor 0 1
X Z
础.
CSLG
计算机对HDL的处理:
逻辑仿真是指用计算机仿真软件对数字逻辑电路的结构和行为
进行预测.仿真器对HDL描述进行解释，以文本形式或时序波形图
形式给出电路的输出。在仿真期间如发现设计中存在错误，就再
要对HDL描述进行及时的修改。
逻辑综合是指从HDL描述的数字逻辑电路模型中导出电路基
本元件列表以及元件之间的连接关系（常称为门级网表）的过程。类似对高级程序语言设计进行编译产生目标代码的过程。产生门级元件及其连接关系的数据库，根据这个数据库可以制
（output),然后对模块功能进行描述。 3、除了endmodule语句外，每个语句后必须有分号。 4、可以用/* --- */和//…..对VerilogHDL程序的任何部分做注释。
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模块定义的一般语法结构如下：
module 模块名（端口名1, 端口名2, 端口名3,…）；端口类型说明(input, outout, inout)；说明部分参数定义(可选)；数据类型定义(wire, reg等)；实例化低层模块和基本门级元件；连续赋值语句（assign）；过程块结构（initial和always）行为描述语句； endmodule
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2 变量的数据类型
1.线网类型:是指输出始终根据输入的变化而更新其值的变量,它一般指的是硬件电路中的各种物理连接. 例:线网型变量L的值由与门的驱动信号 a和b所决定，即L＝a&b。a、b的值发生变化，线网L的值会立即跟着变化。
a b
&
L
常用的线网类型由关键词wire定义 wire型变量的定义格式如下： wire [n-1:0] 变量名1，变量名2，…，变量名n；
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3 Verilog程序的基本结构
Verilog使用大约100个预定义的关键词定义该语言的结构
1、 VerilogHDL程序由模块构成。每个模块的内容都是嵌在关键词
module和endmodule两个语句之间。每个模块实现特定的功能。
2、每个模块先要进行端口的定义，并说明输入（input)和输出
23510.0、 0.0005
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Verilog允许用参数定义语句定义一个标识符来代表一个常量，称为符号常量。定义的格式为： parameter 参数名1＝常量表达式1，参数名2＝常量表达式2，……；如 parameter BIT=1, BYTE=8, PI=3.14; 6．字符串:字符串是双撇号内的字符序列
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4 逻辑功能的仿真与测试
逻辑电路的设计块完成后，就要测试这个设计块描述的逻辑功能是否正确。为此必须在输入端口加入测试信号，而从其输出端口检测其结果是否正确，这一过程常称为搭建测试平台。根据仿真软件的不同，搭建测试平台的方法也不同。
图2.3.3 例2.3.1的仿真输出波形
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逻辑功能描述部分，其顺序是任意的
例用结构描述方式建立门电路Verilog模型
a
模块名
selnot & 1 U1 U2
a1 out
sel
& b1 U4 //Gate-level description of simple circuit b module mux2to1(a, b, sel, out); U3 input a, b, sel; //定义输入信号端口类型说明 output out; //定义输出信号 wire selnot, a1, b1 ; //定义内部节点信号数据类型数据类 //下面对电路的逻辑功能进行描述型说明 not U1(selnot, sel); and U2(a1, a, selnot); 电路结构描述 and U3(b1, b, sel); or U4(out, a1, b1); endmodule
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3．标识符和关键词
标识符:给对象（如模块名、电路的输入与输出端口、变量等）取名所用的字符串。由英文字母、数字，＄符和下划线组成，
并且以英文字母或下划线开始，
如，clk、counter8、_net、bus_A 。关键词:是Verilog语言本身规定的特殊字符串，用来定义语言的结构。例如，module、endmodule、input、output、wire、 reg、and等都是关键词。关键词都是小写，关键词不能作为标识符使用。
4、设计举例
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例2 用Verilog的门级元件进行描述由三态门构成的2选1数据选择器。
B A
L
SEL
//Gate-level description of a 2-to-1-line multiplexer module _2to1muxtri (A,B,SEL,L); input A,B,SEL output L; tri L;//也是线网型变量，由多个门驱动 bufif1 (L,B,SEL); bufif0 (L,A,SEL); endmodule
bufif1真值表
三态门元件模型（a）bufif1 （b）notif1
notif1真值表
bufif1 数据输入 0 1 x z
控制输入 0 1 x 0 0/z z z z z 1 x x 1/z x x
z 0/z
1/z x x
notif1 控制输入 0 1 x z 0 z 1 1/z 1/z 数 1 z 0 0/z 0/z 据 x x 输 x z x x x 入 z z x
路描述。主要用于层次化设计中。
•数据流描述方式：
一般使用assign语句描述，主要用于对组合逻辑电路建模。
•行为描述方式：
一般使用下述语句描述，可以对组合、时序逻辑电路建模。 1）initial 语句 2）always 语句
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1. 组合逻辑电路的门级建模
门级建模:将逻辑电路图用HDL规定的文本语言表示出来。
not真值表
输入 not 0 1 输出1 0 x x z x
buf真值表
out N
输入 buf 0 1 输出0 1
x x
z x
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3、三态门
有一个输出、一个数据输入和一个输入控制。如果输入控制信号无效，则三态门的输出为高阻态z。
in ctrl （a） out in ctrl （b） out
输入1
0
0 1 X X
1
1 0 X X
X X X X X
Z X X X X
X
Z
X
X
1
1
X
X
X
X
2
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2、多输出门
允许有多个输出，但只有一个输入。
not N1（out1，out2，…，in）； buf B1（out1，out2，…，in）；
out1 in out2 in
…
out1 out2
…
outN
not
n-output inverter
bufif0 tri-state buffer; lo enable
bufif1 tri-state buffer; hi enable
notif0 tri-state inverter; lo enable notif1 tri-state inverter; hi enable
三态门
元件符号 and or xor buf 功能说明多输入端的与门多输入端的或门
基本门级元件模型多输出门
元件符号 nand nor xnor not 功能说明
多输入门
多输入端的与非门多输入端的或非门多输入端的异或非门多输出端的反相器控制信号高电平有效的三态反相器控制信号低电平有效的三态反相器
变量宽度
例:wire L; //将上述电路的输出信号L声明为网络型变量 wire [7:0] data bus; //声明一个8-bit宽的网络型总线变量
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2、寄存器型
寄存器型变量对应的是具有状态保持作用的电等路元件,如触发器寄存器。寄存器型变量只能在initial或always内部被赋值。 4种寄存器类型的变量
作出集成电路或印刷电路板PCB。
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1 Verilog语言的基本语法规则
为对数字电路进行描述（常称为建模），Verilog语言规定
了一套完整的语法结构。 1．间隔符: Verilog 的间隔符主要起分隔文本的作用，可以使
文本错落有致，便于阅读与修改。
间隔符包括空格符（\b）、TAB 键（\t）、换行符（\n）及换页符。 2．注释符:注释只是为了改善程序的可读性，在编译时不起作用。多行注释符(用于写多行注释): /* --- */；单行注释符 :以//开始到行尾结束为注释文字。