FPGA学习笔记（2）——Verilog语法及ModelSim使用

1.1 语法

1、赋值语句 = 和 <=
= 为阻塞赋值，当该语句结束时，下一个语句才开始执行，串行执行
<= 为非阻塞幅值，该语句和整个语句块同时执行，并行执行

1.2 ModelSim使用

1、修改源文件路径：File -> Source Directory/Change Directory

2、查看窗口：View -> Transcript/Project/Library

3、新建工程：File->New->Project ，添加文件夹名称

4、添加源文件和TB文件：Project 右键-> Add to Project. Existing File

5、编译：Project 右键 -> Compile All
如果出现黄色三角形的警告，查看相关文件并修改，重新编译
双击红色的警告，可以看到.v文件哪里出现问题

6、仿真：Simulate -> Start Simulate -> Design -> work
- 选择TB文件，关闭Enable optimization

7、Libraries、SDF（标准延迟文件）

8、添加信号到波形图内：sim-Default 右键添加Add Wave
某些信号看不到（no data）就重新仿真，最好先添加信号，再进行仿真。
修改Run Length 到适合的时长（例如1us），run运行设置时长
左侧Restart，重置信号。

9、命令行操作：
.main clear 清空命令行
run 1us 波形运行1us

10、ctrl+A：全选信号
ctrl+G:信号排序

1.3 Verilog

1、逻辑值：

• 0
• 1
• X（未知，可能是1/0）
• Z（高阻态，外部没有激励信号，是一个悬空状态）

2、进制：二进制（d）、八进制（o）、十进制（d）和十六进制（h）

3、数值表示：[数据位宽]'[进制][数]
例子：1’b0 8’d255 16b’1001_1010_0000_1111（下划线不影响程序读取）

4、标识符：定义模块名、端口名、信号名
任意一组字母、数字、$符号和_（下划线）
标识符第一个字符必须是字母或下划线，区分大小写。
不建议大小写混合使用，普通信号建议全部小写，信号命名最好体现信号的含义，简洁清晰易懂
例子：sum、cpu_addr、clk_50、clk_cpu

5、数据类型：寄存器、线网、参数，前两个是真正在数字电路中起作用的
（1）寄存器类型：reg，默认初始值为X
例子：
reg [31:0] delay_cnt;
reg key_reg;
注：reg类型只能在always和initial语句中被幅值。
时序逻辑：always语句带有时钟信号，则该寄存器变量对应为触发器；
组合逻辑：always语句不带有时钟信号，则该寄存器变量对应为硬件连线；
（2）线网类型：表示结构实体之间的物理连线，此变量不能存储值，它的值由驱动它的元件所决定。
驱动线网类型变量的元件有门、连续幅值语句、assign。
如果没有驱动元件连接到线网上，线网为高阻态z。
例子：
wire key_flag;
（3）参数类型：常量，用parameter定义常量。
例子：
parameter H_SYNC = 11’d41; //行同步
parameter H_BACK = 11’b2; //行显示后沿
parameter H_DISP = 11’d480; //行有效数据
parameter H_FRONT = 11’d2; //行显示前沿
parameter H_TOTAL = 11’d525; //行扫描周期

参数型数据常用于定义状态机的状态、数据的位宽和延迟大小。
标识符、参数传递

6、运算符：算数运算符（+ - * / %）、关系运算符（> < >= <= == !=）、逻辑运算符（！ && ||）、
条件运算符（? : ，例子：a?b:c，a为真，选择b，否则选择c）、位运算符（~ & | ^）、
移位运算符（<< >> ，例子：8’b11110000 >>2 = 2’b00111100,0填充）、拼接运算符（{}）
有优先级，用括号！

7、注释方式： // 和 /* */

8、关键字
变量名不能与关键字同名

9、框架：
（1）模块block（包括接口和逻辑功能）
例子：

module block(a,b,c,d);input a,b;output c,d;assign c = a | b;assign d = a & b;
endmodule

每个verilog程序包括：端口定义、IO说明、内部信号声明、功能定义。

注意：有可以综合的语句和不可综合的语句（仿真）

（2）可综合的语句：
assign、always、例化实例元件，这三种逻辑功能是并行的。
（2-1）在always块中，逻辑是顺序执行的。
而多个always块之间是并行的。
（2-2）模块调用:信号通过模块端口在模块之间传递。
例子：
文件seg_led_static_top.v:

module seg_led_static_top(input		sys_clk,input		sys_rst_n,output	[5:0]	sel,output	[7:0]	seg_led
);parameter	TIME_SHOW = 25'd25000_000;wire		add_flag;//模块调用1：time_count #(.MAX_NUM	(TIME_SHOW)		//参数传递) u_time_count(.clk		(sys_clk),.rst_n		(sys_rst_n),.flag		(add_flag));//模块调用2：必须按照模块定义顺序列写（不推荐）time_count #(.MAX_NUM	(TIME_SHOW)		//参数传递) u_time_count(sys_clk,sys_rst_n,add_flag);
endmodule

其他文件 time_cout.v：

module time_count(input		clk,input		rst_n,output	reg	flag
);parameter	MAX_NUM = 50000_00;
reg	[24:0]	cnt;

10、结构语句：
（1）initial：在模块中只执行一次。常用来写测试文件，产生仿真测试信号（激励信号）和对存储器赋初始值。
例子：

initial beginsys_clk		<= 1'b0;sys_rst_n 	<= 1'b0;touch_key 	<= 1'b0;#20 sys_rst_n <= 1'b0;
end

（2）always：不断重复活动，但是只有和一定的时间控制结合在一起才有作用。
例子：

always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always的时间控制有：边沿触发，电平触发
可以是单个信号，也可以是多个信号（用or连接）
例子：

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin		//敏感列表if (!sys_rst_n)counter <= 24'd0;else if(counter < 24'd1000_0000)counter <= counter + 1'b1;elsecounter <= 24'd0;
end

边沿触发（posedge，negedge）的always常常描述时序逻辑行为。使用非阻塞幅值<=
电平触达的always常常描述组合逻辑行为。使用阻塞幅值=
例子：

always @(a or b or c or d or e) beginout = a ?(b+c):(d + e);
end

可以用*代表所有变量，@(*)对后面语句块所有输入变量的变化都是敏感的！

always @(*) beginout = a ?(b+c):(d + e);
end

组合逻辑没有CLK信号，时序逻辑有CLK信号，具备记忆功能。
注意：
（1）不允许在多各always块中对同一个变量进行幅值
（2）在同一个always块中不要既用非阻塞幅值又用阻塞赋值

11、条件语句：
（1）if

if (a > b)out = data_1;

（2）if else

if (a > b)out = data_1;
elseout = data_2;

（3）if else嵌套：

if (fx1)out = data_1;
else if(fx2)out = data_2;
else if(fx3)out = data_3;
elseout = data_4;

（4）使用begin和end包含多个语句：

if (a) begin语句1；语句2；
end
else begin语句1；语句2；
end

判断表达式的值：若为0，x，z，按照假进行处理，若为1，按照真处理。

（5）case语句：
casez：比较时，不考虑表达式中的高阻态z。
casex：比较时，不考虑高阻态z和不定值x
例子：

case(num)4'h0	:	seg_led <= 8'b1111_0000;4'h1	:	seg_led <= 8'b0000_0000;default	:	seg_led <= 8'b1111_1111;
endcase

注意：num和n’hx必须位宽相等。

casex(sel)8'b1100_zzzz	:	语句1;8'b1100_xxzz	:	语句2;
endcase

1.4 状态机

例子：利用FPGA实现电子门锁。
序列检测器
1、状态机（FSM）：在有限个状态之间按一定规律转换的时序电路

2、模型：
（1）mealy状态机：输出与输入信号和当前状态有关。
组合逻辑F->状态寄存器->组合逻辑G
（2）moore状态机：输出只与当前状态有关。

3、状态机设计：
（1）步骤：状态空间定义，状态跳转，下个状态判断，各个状态下的动作。
例子：

/*   part1:状态空间定义    */
//define state space
parameter	SLEEP	=	2'b00;
parameter	STUDY	=	2'b01;
parameter	EAT		=	2'b10;
parameter	AMUSE	=	2'b11;
//internal variable
reg	[1:0]	current_state;
reg	[1:0]	next_state;//独热码：每个状态只有一个寄存器置位，译码逻辑简单，生成的电路简单。
parameter	SLEEP	=	4'b0001;
parameter	STUDY	=	4'b0010;
parameter	EAT		=	4'b0100;
parameter	AMUSE	=	4'b1000;
//internal variable
reg	[3:0]	current_state;
reg	[3:0]	next_state;/*   part2:状态跳转   */
//transition
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin		//敏感列表：时钟信号以及复位信号边沿的组合if(!rst_n)current_state <= SLEEP;elsecurrent_state <= next_state;				//使用非阻塞赋值
end/*   part3:下个状态判断（组合逻辑）   */
//next state decision
always @(current_state or input_signals) begincase (current_state)SLEEP	:beginif (clock_alarm)next_state = STUDY;elsenext_state = SLEEP;endSTUDY	:beginif (lunch_time)next_state = EAT;elsenext_state = STUDY;endEAT		:beginif (lunch_time)next_state = EAT;elsenext_state = STUDY;endAMUSE	:beginif (lunch_time)next_state = EAT;elsenext_state = STUDY;enddefault:beginif (lunch_time)next_state = EAT;elsenext_state = STUDY;endendcase
end

注意：
（1）组合逻辑使用阻塞赋值
（2）if/else要配对以免产生latch（锁存器），case的状态如果没有给完全，必须要给default，否则也会生成latch

/*   part4：各个状态下的动作（组合逻辑）   */
//action
wire read_book;
assign read_book = (current_state == STUDY) ? 1'b1 : 1'b0;always @(current_state) beginif(current_state == STUDY)read_book = 1'b1;elseread_book = 1'b0;
end

注意：组合逻辑使用阻塞赋值

一个三段式状态机例子：divider7_fsm.v
三段式可以在组合逻辑后再增加一级寄存器（时序逻辑，有clk信号输入）来实现时序逻辑输出：
（1）可以有效滤除组合逻辑输出的毛刺；
（2）可以有效地进行时序计算和约束；
（3）对总线形式的输出信号来说，容易使总线数据对齐，从而减小总线数据间的偏移，减小接收端数据采样出错的频率。