Verilog基础（一）——数据类型、运算符

本文主要介绍verilog基础模块，主要讲述verilog语言中的数据类型、运算符。

1. 数据类型

1.1 常量

整数：整数可以用二进制b或B，八进制o或O，十进制d或D，十六进制h或H表示，例如，8’b00001111表示8位位宽的二进制整数，4’ha表示4位位宽的十六进制整数。

X和Z：X代表不定值，z代表高阻值，例如，5’b00x11，第三位不定值，3’b00z表示最低位为高阻值。

下划线：在位数过长时可以用来分割位数，提高程序可读性，如8’b0000_1111

1.2 参数

参数 parameter：parameter可以用标识符定义常量，运用时只使用标识符即可，提高代码可读性及维护性，如定义parameterwidth = 8 ; 定义寄存器reg[width-1:0] a; 即定义了8位宽度的寄存器。

参数的传递：在一个模块中如果有定义参数，在其他模块调用此模块时可以传递参数，并可以修改参数，如下所示，在module后用#（）表示。

1.3 传参示例

例如模块定义如下，该ROM模块有两个输入参数，其中addr变量为15位位宽，data变量为8位位宽：

module ROM

#(

    parameter depth=15,

    parameter width = 8

)

(

    input [depth-1:0] addr,

    input[width-1:0] data,

    output result

) ;

endmodule

调用该ROM模块时，可以在调用时修改传参来修改参数。如下代码，在调用ROM模块时，将depth和width变量的位宽分布修改成了32位位宽和16位位宽。

module top() ;

wire [31:0] addr ;

wire [15:0] data ;

wire result ;

ROM

#(

    .depth(32),

    .width(16)

)

ROM1

(

    .addr(addr) ,

    .data(data) ,

    .result(result)

) ;

endmodule

Parameter可以用于模块间的参数传递，而localparam仅用于本模块内使用，不能用于参数传递。Localparam多用于状态机状态的定义。

1.4 变量

变量是指程序运行时可以改变其值的量，下面主要介绍几个常用了变量类型。

1.4.1 Wire型

Wire 类型变量，也叫网络类型变量，用于结构实体之间的物理连接，如门与门之间，不能储存值，用连续赋值语句assign赋值，定义为wire[n-1:0] a ;其中n 代表位宽，如定义wire a ; assign a = b ;是将b的结点连接到连线a上。如下图所示，两个实体之间的连线即是wire类型变量。

1.4.2 Reg型

Reg类型变量，也称为寄存器变量，可用来储存值，必须在always语句里使用。其定义为reg [n-1:0] a ;表示n位位宽的寄存器，如reg [7:0] a;表示定义8位位宽的寄存器a。

如下所示定义了寄存器q

module TOP

(

    input d,

    input clk,

    output reg q

) ;

always @(posedge clk)

begin

    q <= d ;

end

endmodule

生成的电路为时序逻辑，下图为其结构，为D触发器。

也可以生成组合逻辑，如下面代码所示为一个数据选择器，敏感信号没有时钟

module TOP

(

    input a,

    input b,

    input c,

    input d,

    input[1:0] sel,

    output reg Mux

) ;

always @(sel or a or b or c or d)

begin

    case(sel)

    2'b00 : Mux = a ;

    2'b01 : Mux = b ;

    2'b10 : Mux = c ;

    2'b11 : Mux = d ;

    endcase

end

endmodule

最终生成电路为组合逻辑。

1.4.3 Memory型

可以用memory类型来定义RAM、ROM等存储器，其结构为reg [n-1:0]存储器名[m-1:0]，意义为m个n位宽度的寄存器。例如，reg [7:0] ram [255:0]表示定义了256个8位寄存器，256也即是存储器的深度，8为数据宽度。

2. 运算符

运算符可分为以下几类：

（1）算术运算符（+，-，*，/，%）

（2）赋值运算符（=，<=）

（3）关系运算符（>，<，>=，<=，==，!=）

（4）逻辑运算符（&&，||，！）

（5）条件运算符（？：）

（6）位运算符（~，|，^，&，^~）

（7）移位运算符（<<，>>）

（8）拼接运算符（{ }）

大部分运算符与C/C++语言中定义的运算符用法基本上一致，这里主要介绍几种与C/C++语言中差异较大的运算符。

2.1 赋值运算符

“=”为阻塞赋值，”<=”为非阻塞赋值。阻塞赋值为执行完一条赋值语句，再执行下一条，可理解为顺序执行，而且赋值是立即执行；非阻塞赋值可理解为并行执行，不考虑顺序，在always块语句执行完成后，才进行赋值。

2.1.1 阻塞赋值运算符

下面先介绍阻塞赋值，代码如下：

module TOP

(

    input din,

    input clk,

    output reg a,b,c

) ;

always @(posedge clk)

begin

    a = din;

    b = a;

    c = b;

end

endmodule

下面是上面模块对应的仿真代码（用于给上面模块提供时钟、激励信号用于仿真模块功能的正确性）：

module SimFile ();

reg din ;

reg clk ;

wire a,b,c ;

initial

begin

    din = 0 ;

    clk = 0 ;

    forever

    begin

        #({$random}0)      // 随机等待一段时间（0~99ns之间）

        din = ~din ;

    end

end

always #10 clk = ~clk ;

TOP TOP_i

(

    .clk(clk),

    .din(din),

    .a(a),

    .b(b),

    .c(c)

);

clk时钟的周期是20ns，从仿真结果可以看到，在clk的上升沿时，寄存器a的值等于输入din的值，并立即赋给寄存器b，b的值赋给c。

上面编写的阻塞赋值TOP模块在FPGA内部布局成的电路（RTL）如下图所示，由RTL可以明显看出，在每个时钟周期上沿到来时，寄存器a、b、c的值都被统一赋值成了输入din的值。

2.1.2 非阻塞赋值运算符

将上面编写TOP模块的赋值方式改为非阻塞赋值方式，代码如下：

module TOP

(

    input din,

    input clk,

    output reg a,b,c

) ;

always @(posedge clk)

begin

    a <= din;

    b <= a;

    c <= b;

end

endmodule

仿真代码仍然使用2.1.1节的仿真代码提供时钟和激励信号，仿真结果如下：

在每个时钟clk上升沿时，寄存器a的值没有立即赋值给b，b为a原来的值，同样，c为b原来的值。上面编写的非阻塞赋值TOP模块在FPGA内部布局成的电路（RTL）如下图所示。

一般情况下，在时序逻辑电路中使用非阻塞赋值，可避免出现竞争冒险现象。在组合逻辑中使用阻塞赋值，执行赋值语句后立即改变。在assign语句中必须用阻塞赋值。

2.2 位拼接运算符

“{ }”拼接运算符，将多个信号按位拼接，如{a[3:0], b[1:0]}，将a的低4位，b的低2位拼接成6位数据。

{n{a[3:0]}}表示将n个a[3:0]拼接，{n{1’b0}}表示n位的0拼接。如{8{1’b0}}表示为8’b0000_0000。

2.3 运算符的优先级

各种运算符的优先级别如下图所示：

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参考文献：

[1] http://www.alinx.com.cn/.