Verilog HDL 快速入门

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

Verilog HDL 快速入门

Verilog HDL是一种硬件描述语言（HDL:Hardware Description Language），它是以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言。 世界上最流行的两种硬件描述语言是Verilog HDL和VHDL。

注意，VerilogHDL是一种描述语言，它和常见的编程语言C有根本的不同。C语言，让计算机的CPU从上往下按顺序执行每一条指令，执行完程序就结束了。

而，VerilogHDL主要是描述了一个数字模块的结构，或者行为。有点像商业合同，合同里面也会描述产品的结构，产品的功能等等。合同的每一个条款，并不需要严格的先后顺序，只要把项目的方方面面都考虑完整，写下来就OK了。VerilogHDL也是这样。

我们用VerilogHDL描述数字模块的功能，剩下的交给编译器（如，Quartus），编译器会根据我们的要求设计重构FPGA内部硬件。对于大批懒人来说，这技术简直碉堡了。这就是EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）。

好，下面就来认识一下VerilogHDL 
我们先设计一个“数据选择器”： 
s是数据选择控制端， 
a，b是输入信号，y是输出信号 
 
代码如下：

module mux2_1(a, b, s, y); //模块名、模块接口名
    input a, b, s;        // 定义输入端口
    output y;              // 定义输出端口

    /* s为0时，选择a输出； s为1时，选择b输出。*/  
    assign y = (s == 0) ? a : b;  //输出信号
endmodule

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8

每个Verilog文件中都有一个module 开始，endmodule 结束的代码块。 
这个代码块的定义了一个名字叫 mux2_1 的模块，模块名后面紧跟的括号内写明了该模块的接口信号，相当于数字器件的引脚。 
但是括号内没有说明接口的信号方向，所以紧跟着另起一行用input 和output 再说明一下。注释和C语法一样，可以用// 或 /* */ 。 
assign 是Verilog的关键词，书上称为连续赋值。我一般把他视为“连线”操作，assign后面的紧跟的 y 在硬件上是一根导线(或输出引脚)。 
assign　 y = (s == 0) ? a : b; 
这句话的意思是：s如果为0，那么等号左边就是a，否则就是b。将这个表达式的输出结果接在输出引脚 y 上。 
这就是一个简单的Verilog程序，不需要我们去设计与非门，直接表达你的你想要的功能就好了。然后，编译下载到FPGA，功能就实现了。

要注意的是，assign 后面永远跟着一个 =，它们是一起使用的。 
即，assign xx = zz；

上面的2选1数据选择器，内部实现结构如下： 
 
所以，上面的assign语句还可以这样写，直接使用逻辑表达式： 
assign y = (a & (~ s)) | (b & s); 
这个是在门级对逻辑关系进行描述，所以不属于行为描述，算是结构描述吧。下面这种描述方式，叫做门原语，算结构描述。这里的关键词wire 表示电路中的导线（信号线）。

module mux2_1(a, b, s, y);
    input a, b, s;
    output y;
    wire ns, as, bs;

    not(ns, s);//这里使用了一个非门，输出是ns，输入是s
    and(as, a, ns);//使用一个与门，输出as，输入a和ns
    and(bs, b, s);//使用与门，输出bs，输入b和s
    or(y, as, bs);//使用或门，输出y，输入as和bs
endmodule

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10

看，这是告诉我们电路中有什么元器件，又是怎么连接的，所以这个属于结构描述。 
很明显，有时候结构描述比行为描述要费力得多，而且不太容易理解程序功能。 
另外，上面的这个程序中，这4个逻辑门的顺序，可以随便写，不用管先后顺序。

这个数据选择器，还可以使用如下行为描述方法：

module mux2_1(a, b, s, y);
    input a, b, s; 
    output y; 
    reg  y; //reg 表示寄存器

    always @(a, b, s)
    begin
        if(!s) y = a;
        else y = b;
    end
endmodule

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• 10
• 11

这里reg表示寄存器（存储器），需要提醒一下的是，assign后面只能接wire型，不能接reg型。（当然output从物理上也是wire） 
为什么不能？因为寄存器的赋值除了需要输入信号，还需要触发信号（例如D触发器寄存器），assign？sorry，he can’t。

always @(a, b, s)中，括号里面的输入信号a，b，s表示敏感信号。 
always @( ) 是连在一起使用的。 
这句话的意思是，敏感信号列表中的任何一个信号发生变化，将会引发 
begin …… end 之间的行为。 
Verilog用begin和end包围代码段，相当于c语言中的大括号{ }的功能。 
if(!s) y = a; 
这里的“=”单独使用，叫做“阻塞赋值”。我把他理解为“串行赋值”。 
比如,有这么一段代码： 
b=a; 
c=b; 
那么最后，c的值就等于a，这个行为在描述的时候，语句的先后顺序，决定了赋值的先后。 
在Verilog中，和它对应的还有一个“非阻塞赋值”，表示方法是 <=，我把这种赋值称为“并行赋值”。具体区别，请参考另一篇短文阻塞赋值和非阻塞赋值