硬件描述语言

0x00 数电逻辑符号

与 &
或 |
异或 ^
同或 ~^

0x01 基本结构

1.1 线网（wire）

wire 类型表示硬件单元之间的物理连线，由其连接的器件输出端连续驱动

如果没有驱动元件连接到 wire 型变量，缺省值一般为 “Z”

wire   interrupt ;
wire   gnd = 1'b0 ;

线网型还有其他数据类型，包括 wand，wor，wri，triand，trior，trireg 等

1.2 寄存器（reg）

寄存器（reg）用来表示存储单元，它会保持数据原有的值，直到被改写。声明举例如下：

reg    clk_temp;
reg    flag1, flag2 ;

例如在 always 块中，寄存器可能被综合成边沿触发器，在组合逻辑中可能被综合成 wire 型变量。寄存器不需要驱动源，也不一定需要时钟信号。在仿真时，寄存器的值可在任意时刻通过赋值操作进行改写。例如：

reg rstn ;
initial beginrstn = 1'b0 ;#100 ;rstn = 1'b1 ;
end

1.3 向量

当位宽大于 1 时，wire 或 reg 即可声明为向量的形式。例如：

reg [3:0]      counter ;    //声明4bit位宽的寄存器counter
wire [32-1:0]  gpio_data;   //声明32bit位宽的线型变量gpio_data
wire [8:2]     addr ;       //声明7bit位宽的线型变量addr，位宽范围为8:2
reg [0:31]     data ;       //声明32bit位宽的寄存器变量data, 最高有效位为0

对于上面的向量，我们可以指定某一位或若干相邻位，作为其他逻辑使用。例如：

wire [9:0]     data_low = data[0:9] ;
addr_temp[3:2] = addr[8:7] + 1'b1 ;

Verilog 支持可变的向量域选择，例如：

reg [31:0]     data1 ;
reg [7:0]      byte1 [3:0];
integer j ;
always@* beginfor (j=0; j<=3;j=j+1) beginbyte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8];//把data1[7:0]…data1[31:24]依次赋值给byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]end
end

Verillog 还支持指定 bit 位后固定位宽的向量域选择访问。

• [bit+: width] : 从起始 bit 位开始递增，位宽为 width。
• [bit-: width] : 从起始 bit 位开始递减，位宽为 width。

//下面 2 种赋值是等效的
A = data1[31-: 8] ;
A = data1[31:24] ;//下面 2 种赋值是等效的
B = data1[0+ : 8] ;
B = data1[0:7] ;

对信号重新进行组合成新的向量时，需要借助大括号。例如：

wire [31:0]    temp1, temp2 ;
assign temp1 = {byte1[0][7:0], data1[31:8]};  //数据拼接
assign temp2 = {32{1'b0}};  //赋值32位的数值0  

1.4 整数，实数，时间寄存器变量

整数，实数，时间等数据类型实际也属于寄存器类型。

1.4.1 整数（integer）

整数类型用关键字 integer 来声明。声明时不用指明位宽，位宽和编译器有关，一般为32 bit。reg 型变量为无符号数，而 integer 型变量为有符号数。例如：

reg [31:0]      data1 ;
reg [3:0]       byte1 [7:0]; //数组变量，后续介绍
integer j ;  //整型变量，用来辅助生成数字电路
always@* beginfor (j=0; j<=3;j=j+1) beginbyte1[j] = data1[(j+1)*8-1 : j*8];//把data1[7:0]…data1[31:24]依次赋值给byte1[0][7:0]…byte[3][7:0]end
end

此例中，integer 信号 j 作为辅助信号，将 data1 的数据依次赋值给数组 byte1。综合后实际电路里并没有 j 这个信号，j 只是辅助生成相应的硬件电路。

1.4.2 实数（real）

实数用关键字 real 来声明，可用十进制或科学计数法来表示。实数声明不能带有范围，默认值为 0。如果将一个实数赋值给一个整数，则只有实数的整数部分会赋值给整数。例如：

real        data1 ;
integer     temp ;
initial begindata1 = 2e3 ;data1 = 3.75 ;
endinitial begintemp = data1 ; //temp 值的大小为3
end

1.4.3 时间（time）

Verilog 使用特殊的时间寄存器 time 型变量，对仿真时间进行保存。其宽度一般为 64 bit，通过调用系统函数 $time 获取当前仿真时间。例如：

time       current_time ;
initial begin#100 ;current_time = $time ; //current_time 的大小为 100
end

1.5 数组

在 Verilog 中允许声明 reg, wire, integer, time, real 及其向量类型的数组。

数组维数没有限制。线网数组也可以用于连接实例模块的端口。数组中的每个元素都可以作为一个标量或者向量，以同样的方式来使用，形如：<数组名>[<下标>]。对于多维数组来讲，用户需要说明其每一维的索引。例如：

integer          flag [7:0] ; //8个整数组成的数组
reg  [3:0]       counter [3:0] ; //由4个4bit计数器组成的数组
wire [7:0]       addr_bus [3:0] ; //由4个8bit wire型变量组成的数组
wire             data_bit[7:0][5:0] ; //声明1bit wire型变量的二维数组
reg [31:0]       data_4d[11:0][3:0][3:0][255:0] ; //声明4维的32bit数据变量数组

下面显示了对数组元素的赋值操作：

flag [1]   = 32'd0 ; //将flag数组中第二个元素赋值为32bit的0值
counter[3] = 4'hF ;  //将数组counter中第4个元素的值赋值为4bit 十六进制数F，等效于counter[3][3:0] = 4'hF，即可省略宽度;
assign addr_bus[0]        = 8'b0 ; //将数组addr_bus中第一个元素的值赋值为0
assign data_bit[0][1]     = 1'b1;  //将数组data_bit的第1行第2列的元素赋值为1，这里不能省略第二个访问标号，即 assign data_bit[0] = 1'b1; 是非法的。
data_4d[0][0][0][0][15:0] = 15'd3 ;  //将数组data_4d中标号为[0][0][0][0]的寄存器单元的15~0bit赋值为3

虽然数组与向量的访问方式在一定程度上类似，但不要将向量和数组混淆。向量是一个单独的元件，位宽为 n；数组由多个元件组成，其中每个元件的位宽为 n 或 1。它们在结构的定义上就有所区别。

1.6 存储器

存储器变量就是一种寄存器数组，可用来描述 RAM 或 ROM 的行为。例如：

reg               membit[0:255] ;  //256bit的1bit存储器
reg  [7:0]        mem[0:1023] ;    //1Kbyte存储器，位宽8bit
mem[511] = 8'b0 ;                  //令第512个8bit的存储单元值为0

1.7 参数

参数用来表示常量，用关键字 parameter 声明，只能赋值一次。例如：

parameter      data_width = 10'd32 ;
parameter      i=1, j=2, k=3 ;
parameter      mem_size = data_width * 10 ;

但是，通过实例化的方式，可以更改参数在模块中的值。此部分以后会介绍。

局部参数用 localparam 来声明，其作用和用法与 parameter 相同，区别在于它的值不能被改变。所以当参数只在本模块中调用时，可用 localparam 来说明。

1.8 字符串

字符串保存在 reg 类型的变量中，每个字符占用一个字节（8bit）。因此寄存器变量的宽度应该足够大，以保证不会溢出。

字符串不能多行书写，即字符串中不能包含回车符。如果寄存器变量的宽度大于字符串的大小，则使用 0 来填充左边的空余位；如果寄存器变量的宽度小于字符串大小，则会截去字符串左边多余的数据。例如，为存储字符串 “w3cschool.cn”, 需要 12*8bit 的存储单元：

reg [0: 12*8-1]       str ;
initial beginstr = "w3cschool";
end 

有一些特殊字符在显示字符串中有特殊意义，例如换行符，制表符等。如果需要在字符串中显示这些特殊的字符，则需要在前面加前缀转义字符 \ 。例如下表所示：

转义字符	显示字符
\n	换行
\t	制表符
%%	%
\	\
\"	"
\ooo	1到3个8进制数字字符

0x02

位运算

| & ~ ^ ~^ ~& ~|当两个位数不同操作数进行位运算时，位数少的操作数零扩展到相同位数

逻辑运算
逻辑运算包括!（逻辑非）、&&（逻辑与）和||（逻辑或）。其中，!为单目运算，而&&和||为双目运算。

逻辑运算只对逻辑值进行运算，其结果为1位：“1”代表逻辑真，“0”代表逻辑假。对于向量类型信号，则将信号的取值作为整体看待，对于非零值作为逻辑真处理，对每位均为0的数作为逻辑假处理。

对于标量信号，按位运算和逻辑运算的结果相同。但对于向量信号，两者的结果则不相同。