Verilog HDL基礎(chǔ)j教程之：程序基本結(jié)構(gòu)

Verilog HDL是一種用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計的語言。用Verilog HDL描述的電路設(shè)計就是該電路的Verilog HDL模型。Verilog HDL既是一種行為描述的語言，也是一種結(jié)構(gòu)描述的語言。也就是說，既可以用電路的功能描述，也可以用元器件和它們之間的連接來建立所設(shè)計電路的Verilog HDL模型。Verilog模型可以是實際電路的不同級別的抽象。這些抽象的級別和它們對應(yīng)的模型類型共有以下5種。

• 系統(tǒng)級（system）：用高級語言結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計模塊的外部性能的模型。
• 算法級（algorithm）：用高級語言結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計算法的模型。
• RTL級（Register Transfer Level）：描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動和如何處理這些數(shù)據(jù)的模型。
• 門級（gate-level）：描述邏輯門以及邏輯門之間的連接的模型。
• 開關(guān)級（switch-level）：描述器件中三極管和儲存節(jié)點以及它們之間連接的模型。

一個復(fù)雜電路系統(tǒng)的完整Verilog HDL模型是由若干個Verilog HDL模塊構(gòu)成的，每一個模塊又可以由若干個子模塊構(gòu)成。其中有些模塊需要綜合成具體電路，而有些模塊只是與用戶所設(shè)計的模塊交互的現(xiàn)存電路或激勵信號源。利用Verilog HDL語言結(jié)構(gòu)所提供的這種功能就可以構(gòu)造一個模塊間的清晰層次結(jié)構(gòu)來描述極其復(fù)雜的大型設(shè)計，并對所作設(shè)計的邏輯電路進(jìn)行嚴(yán)格的驗證。

Verilog HDL行為描述語言作為一種結(jié)構(gòu)化和過程性的語言，其語法結(jié)構(gòu)非常適合于算法級和RTL級的模型設(shè)計。這種行為描述語言具有以下功能。

• 可描述順序執(zhí)行或并行執(zhí)行的程序結(jié)構(gòu)。
• 用延遲表達(dá)式或事件表達(dá)式來明確地控制過程的啟動時間。
• 通過命名的事件來觸發(fā)其他過程里的激活行為或停止行為。
• 提供了條件、if-else、case、循環(huán)程序結(jié)構(gòu)。
• 提供了可帶參數(shù)且非零延續(xù)時間的任務(wù)（task）程序結(jié)構(gòu)。
• 提供了可定義新的操作符的函數(shù)結(jié)構(gòu)（function）。
• 提供了用于建立表達(dá)式的算術(shù)運算符、邏輯運算符、位運算符。
• Verilog HDL語言作為一種結(jié)構(gòu)化的語言也非常適合于門級和開關(guān)級的模型設(shè)計。因其結(jié)構(gòu)化的特點又使它具有以下功能。
  • 提供了完整的一套組合型原語（primitive）；
  • 提供了雙向通路和電阻器件的原語；
  • 可建立MOS器件的電荷分享和電荷衰減動態(tài)模型。

Verilog HDL的構(gòu)造性語句可以精確地建立信號的模型。這是因為在Verilog HDL中，提供了延遲和輸出強度的原語來建立精確程度很高的信號模型。信號值可以有不同的強度，可以通過設(shè)定寬范圍的模糊值來降低不確定條件的影響。

Verilog HDL作為一種高級的硬件描述編程語言，有著類似C語言的風(fēng)格。其中if語句、case語句等和C語言中的對應(yīng)語句十分相似。如果讀者已經(jīng)掌握C語言編程的基礎(chǔ)，那么學(xué)習(xí)Verilog HDL并不困難，只要對Verilog HDL某些語句的特殊方面著重理解，并加強上機練習(xí)就能很好地掌握它，利用它的強大功能來設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路。下面將介紹Verilog HDL中的基本結(jié)構(gòu)和語法。

Verilog HDL程序入門

首先來看幾個Verilog HDL程序，然后從中分析Verilog HDL程序的特性。

例1：加法器。

module adder （ count,sum,a,b,cin ）; //加法器模塊端口聲明

input ［2:0］ a,b; //端口說明

input cin;

output count;

output ［2:0］ sum;

assign {count,sum} = a + b + cin; //加法器算法實現(xiàn)

endmodule

這個例子通過連續(xù)賦值語句描述了一個名為adder的三位加法器可以根據(jù)兩個三比特數(shù)a、b和進(jìn)位（cin）計算出和（sum）和進(jìn)位（count）。從例子中可以看出整個Verilog HDL程序是嵌套在module和endmodule聲明語句里的。

例2：比較器。

module compare （ equal,a,b ）; //比較器模塊端口聲明

output equal; //輸出信號equal

input ［1:0］ a,b; //輸入信號a、b

assign equal=（a==b）？1：0; //如果a、b 兩個輸入信號相等,輸出為1,否則為0

endmodule

這個程序通過連續(xù)賦值語句描述了一個名為compare的比較器。對兩比特數(shù)a、b進(jìn)行比較，如a與b相等，則輸出equal為高電平，否則為低電平。在這個程序中，“/*........*/”和“//.........”表示注釋部分，注釋只是為了方便程序員理解程序，對編譯是不起作用的。

例3：使用原語的三態(tài)驅(qū)動器。

module trist2（out,in,enable）; //三態(tài)啟動器模塊端口聲明

output out; //端口說明

input in, enable;

bufif1 mybuf（out,in,enable）; //實例化宏模塊bufif1

endmodule

這個例子描述了一個名為trist2的三態(tài)驅(qū)動器。程序通過調(diào)用一個在Verilog語言庫中現(xiàn)存的三態(tài)驅(qū)動器實例元件bufif1來實現(xiàn)其功能。

例4：自行設(shè)計的三態(tài)驅(qū)動器。

module trist1（out,in,enable）; //三態(tài)啟動器模塊端口聲明

output out; //端口說明

input in, enable;

mytri tri_inst（out,in,enable）;//實例化由mytri模塊定義的實例元件tri_inst

endmodule

module mytri（out,in,enable）; //三態(tài)啟動器模塊端口聲明

output out; //端口說明

input in, enable;

assign out = enable? in : 'bz; //三態(tài)啟動器算法描述

endmodule

這個例子通過另一種方法描述了一個三態(tài)門。在這個例子中存在著兩個模塊。模塊trist1調(diào)用由模塊mytri定義的實例元件tri_inst。模塊trist1是頂層模塊。模塊mytri則被稱為子模塊。

通過上面的例子可以看到。

• Verilog HDL程序是由模塊構(gòu)成的。每個模塊的內(nèi)容都是嵌在module和endmodule兩個語句之間。每個模塊實現(xiàn)特定的功能。模塊是可以進(jìn)行層次嵌套的。正因為如此,才可以將大型的數(shù)字電路設(shè)計分割成不同的小模塊來實現(xiàn)特定的功能,最后通過頂層模塊調(diào)用子模塊來實現(xiàn)整體功能。
• 每個模塊要進(jìn)行端口定義,并說明輸入輸出口,然后對模塊的功能進(jìn)行行為邏輯描述。
• Verilog HDL程序的書寫格式自由,一行可以寫幾個語句,一個語句也可以分寫多行。
• 除了endmodule語句外,每個語句和數(shù)據(jù)定義的最后必須有分號。
• 可以用“/*.....*/”和“//.......”對Verilog HDL程序的任何部分作注釋。一個好的、有使用價值的源程序都應(yīng)當(dāng)加上必要的注釋,以增強程序的可讀性和可維護(hù)性。