1、第3章 Verilog HDL常用建模方法 3.1 建模方法引例 3.2 结构化形式建模 3.3 数据流级建模 3.4 行为级建模 3.5 小结3.1 建模方法引例建模方法引例【例3-1】设计实现一个3人判决电路，当3个人中有2人或者超过2个人同意，则表决结果为通过；否则表决结果不通过。3.1 建模方法引例建模方法引例 第一步：理解题意 设a，b，c分别代表3个人，同意用1表示，不同意用0表示，y代表表决结果，1表示通过，0表示不通过。根据题意有，当a，b，c三个中有2个为1，或者3个均为1时，y为1，否则y为0。第二步：根据题意，列真值表abcy00000010010001111000101
2、1110111113.1 建模方法引例建模方法引例n 第三步：根据真值表，列输出方程：y=abc+abc+abc+abcn 第四步：化简方程，可以采用代数化简法或者卡诺图化简法 化简后的方程为：y=ab+bc+ca000101111000010111abcy3.1 建模方法引例建模方法引例n 第五步：根据化简后的方程画出电路图abbccaWideOr0abyc3.1 建模方法引例建模方法引例【例3-2】对应于步骤一的Verilog建模module decision_1(a,b,c,y);input a,b,c;output reg y;always(a,b,c)if(a&b=1)|(b&c=1
3、)|(c&a=1)|(a&b&c=1)y=1;else y=0;endmodule y1y3y5y7y8y9abcy3.1 建模方法引例建模方法引例【例3-3】对应于步骤二的Verilog建模module decision_2(a,b,c,y);input a,b,c;output reg y;always(a,b,c)case(a,b,c)3b000:y=0;3b001:y=0;3b010:y=0;3b011:y=1;3b100:y=0;3b101:y=1;3b110:y=1;3b111:y=1;endcaseendmoduleIN2.0OUT7.0DECODERWideOr0cyabDec
4、oder03.1 建模方法引例建模方法引例【例3-4】对应于步骤三的Verilog建模module decision_3(a,b,c,y);input a,b,c;output y;assign y=(a&b&c)|(a&b&c)|(a&b&c)|(a&b&c);endmodulealways00always02always04always06abcyalways053.1 建模方法引例建模方法引例【例3-5】对应于步骤四的Verilog建模module decision_4(a,b,c,y);input a,b,c;output y;assign y=(a&b)|(b&c)|(c&a);en
5、dmodule3.1 建模方法引例建模方法引例【例3-6】对应于步骤五的Verilog建模module decision_5(a,b,c,y);input a,b,c;output y;/assign y=(a&b)+(b&c)+(c&a);/assign y=a&b+b&c;and(ab,a,b),(bc,b,c),(ca,c,a);or(y,ab,bc,ca);endmodule3.1 建模方法引例建模方法引例图3-6 功能仿真波形3.2 结构化形式建模结构化形式建模 1.门级建模 2.用户自定义原语门级建模门级建模（1）与/或门类（2）缓冲/非门类门级建模门级建模【例3-7】利用双输入端
6、的nand门，编写自己与门（my_and）、或门（my_or）、非门（my_not）、异或门（my_xor）。module my_and(a,b,y);/用两个nand门input a,b;output y;wire nandab;nand(nandab,a,b),(y,nandab,nandab);endmodulemodule my_or(a,b,y);/用三个nand门input a,b;output y;wire nandaa,nandbb;nand(nandaa,a,a),(nandbb,b,b),(y,nandaa,nandbb);endmodulemodule my_not(a,
7、y);/用一个nand门input a;output y;nand(y,a,a);endmodulemodule my_xor(a,b,y);/用四个nand门实现异或门input a,b;output y;wire andab,c,d;nand(andab,a,b),(c,andab,a),(d,andab,b),(y,c,d);endmodule用户自定义原语用户自定义原语【例3-8】表示组合逻辑的UDP举例：一位全加器/全加器进位实现部分primitive U_ADD_C (CO,A,B,CI);output CO;input A,B,CI;table /A B CI:CO 1 1?:1
8、;1?1:1;?1 1:1;0 0?:0;0?0:0;?0 0:0;endtableendprimitive/全加器求和实现部分primitive U_ADD_S(S,A,B,CI);output S;input A,B,CI;table /A B CI :S 0 0 0 :0;0 0 1 :1;0 1 0 :1;0 1 1 :0;1 0 0 :1;1 0 1 :0;1 1 0 :0;1 1 1 :1;endtableendprimitive 用户自定义原语用户自定义原语/调用上述两个UDP的全加器模块module U_ADD(SUM,CO,a,b,ci);input a,b,ci;outpu
9、t SUM,CO;U_ADD_S U1(SUM,a,b,ci);U_ADD_C U2(CO,a,b,ci);endmoduleABCISABCICOU_ADD_S:U1U_ADD_C:U2SUMCOabci用户自定义原语用户自定义原语【例3-9】表示时序逻辑的UDP举例：D触发器primitive d_edge_ff(q,clk,data);output q;input clk,data;reg q;table/clk dat state next(01)0 :?:0;(01)1 :?:1;/时钟下降沿(?0)?:?:-;/时钟稳定时忽略data变化?(?):?:-;endtableendpr
10、imitiveDENAQPRECLRcomb0qdataclk3.3 数据流级建模数据流级建模 1.连续赋值语句 2.运算符类型连续赋值语句连续赋值语句【例3-10】使用数据流建模，实现一位半加器。module adder_half(ain,bin,sum,co);input ain,bin;output sum,co;assign co,sum=ain+bin;endmoduleinputoutputainbinsumco0000011010101101运算符类型运算符类型运算符类型运算符执行的操作操作数的个数运算符类型运算符执行的操作操作数的个数算术*乘2关系大于2/除2=大于等于2+加2
11、=小于等于2-减2=等于2逻辑!逻辑反1!=不等于2&逻辑与2缩减&缩减与1|逻辑或2&缩减与非1按位按位求反1|缩减或1&按位与2|缩减或非1|按位或2缩减异或1按位异或2缩减同或1按位同或2位拼接拼接任意移位右移2条件?:条件3算术运算符算术运算符【例3-11】算术运算符示例module arith(a,b,add,sub,mul,div,mod,pow);input7:0 a,b;output7:0 add,sub,mul,div,mod,pow;assign add=a+b,sub=a-b,mul=a*b,div=a/b,mod=a%b,pow=a*4;endmodule关系运算符关系
12、运算符关系运算符包括：大于（）、小于（=）、小于等于（=）、等于（=）、不等于（!=）。逻辑运算符逻辑运算符ab!a!ba&ba|b真真假假真真真假假真假真假真真假假真假假真真假假按位运算符按位运算符按位与01按位或01按位取反结果0000010110111110按位异或01按位同或01001010110101缩减运算符缩减运算符缩减运算符包括：缩减与（&）、缩减与非（&）、缩减或（|）、缩减或非（|）、缩减异或（）、缩减同或（，）。缩减运算符是单目运算符，也有与、或、非运算。其与、或、非运算规则类似于位运算符的与、或、非运算规则，但其运算过程不同。条件运算符条件运算符【例3-12】试用条件运
13、算符来实现一个四选一多路选择器。module mux4to1(out,condition1,condition2,in1,in2,in3,in4);output out;input in1,in2,in3,in4;input condition1,condition2;assign out=(condition1)?(condition2?in1:in2):(condition2?in3:in4);endmodule 移位运算符移位运算符【例3-13】采用移位运算符实现两个3位数的乘法。module mul_3bit(a,b,mul);input 2:0 a,b;output5:0 mul;w
14、ire5:0 mul1,mul2,mul3;assign mul=mul3;assign mul1=b0?a:0;assign mul2=b1?(mul1+(a1):mul1;assign mul3=b2?(mul2+(a2):mul2;endmodule 位拼接运算符位拼接运算符a,b3:0,w,3b101 /等价于a,b3,b2,b1,b0,w,1b1,1b0,1b11,1 /64位，从右边数第0位为1，第32位为1，其余位均为04w /等价于w,w,w,wb,3a,b /等价于b,a,b,a,b,a,b优先级别优先级别3.4 行为级建模行为级建模 1.结构化过程语句always 2.过程
15、赋值语句 3.块语句 4.条件语句 5.多路分支语句 6.循环语句 7.任务和函数语句结构化过程语句结构化过程语句always【例3-15】使用always语句描述D触发器module mydff(q,clk,d);input clk,d;output q;reg q;always(posedge clk)q=d;endmodule过程赋值语句过程赋值语句【例3-16】阻塞赋值方式描述的移位寄存器1module block1(Q0,Q1,Q2,D,clk);output Q0,Q1,Q2;input clk,D;reg Q0,Q1,Q2;always(posedge clk)begin/注意赋
16、值语句的顺序Q2=Q1;Q1=Q0;Q0=D;endendmoduleDENAQPRECLRDENAQPRECLRDENAQPRECLRQ0reg0Q1reg0Q2reg0Q0Q1Q2Dclk过程赋值语句过程赋值语句【例3-17】阻塞赋值方式描述的移位寄存器2module block2(Q0,Q1,Q2,D,clk);output Q0,Q1,Q2;input clk,D;reg Q0,Q1,Q2;always(posedge clk)begin /该句与下句的顺序与例3-16 颠倒Q1=Q0;Q2=Q1;Q0=D;endendmoduleDENAQPRECLRDENAQPRECLRDENAQ
17、PRECLRQ0reg0Q1reg0Q2reg0Q0Q1Q2Dclk过程赋值语句过程赋值语句【例3-18】阻塞赋值方式描述的移位寄存器3module block3(Q0,Q1,Q2,D,clk);output Q0,Q1,Q2;input clk,D;reg Q0,Q1,Q2;always(posedge clk)beginQ0=D;/3 条赋值语句的顺序与例3-16完全颠倒Q1=Q0;Q2=Q1;endendmodule过程赋值语句过程赋值语句【例3-19】非阻塞赋值方式描述的移位寄存器1module non_block1(Q0,Q1,Q2,D,clk);output Q0,Q1,Q2;in
18、put clk,D;reg Q0,Q1,Q2;always(posedge clk)beginQ1=Q0;Q2=Q1;Q0=D;endendmodule【例3-20】非阻塞赋值方式描述的移位寄存器2module non_block2(Q0,Q1,Q2,D,clk);output Q0,Q1,Q2;input clk,D;reg Q0,Q1,Q2;always(posedge clk)beginQ0=D;/3 条赋值语句的顺序与例3-19完全颠倒Q2=Q1;Q1=Q0;endendmodule块语句块语句【例3-21】完成以下两个功能：（1）使用异或运算符对D完成缩位异或运算；（2）检测D中1的
19、个数Verilog实现代码如下：module named_block (D,xnor_D,CountOnes);input3:0 D;output reg xnor_D;output reg2:0 CountOnes;always(D)begin：block1xnor_D=0;CountOnes=0;begin:xor_blockinteger I;for(I=0;I 4;I=I+1)xnor_D=xnor_D DI;end/循环begin:Count_blockinteger J;for(J=0;J4;J=J+1)if(DJ)CountOnes=CountOnes+1;end endendm
20、odule 条件语句条件语句【例3-22】使用always语句描述具有同步复位 和同步置位功能的D触发器module mydff(q,clk,set,clr,d);input clk,d,set,clr;output q;reg q;always(posedge clk)begin if(set)q=1;else if (！clr)q=0;else q=d;endendmoduleDENAQPRECLR011010qreg0q1q0qclksetdclr多路分支语句多路分支语句【例3-23】使用case语句实现四功能的算术逻辑单元（ALU）module alu_4fun(a,b,sel,out
21、);input3:0 a,b;input1:0 sel;output reg4:0 out;always(a,b,sel)begincase(sel)2b00:out=a+b;2b01:out=a-b;2b10:out=ab;default:out=a%b;endcase endendmodule sel信号功能2b00out=a+b2b01out=a-b2b10out=ab其他out=a%b循环语句循环语句【例3-24】使用repeat循环语句及加法和移位操作来实现一个参数化的多位乘法器。module mult_repeat(result,op_a,op_b);parameter size=
22、4;input size:1 op_a,op_b;output 2*size:1 result;reg 2*size:1 shift_opa,result;reg size:1 shift_opb;always(op_a or op_b)begin:mult result=0;shift_opa=op_a;shift_opb=op_b;repeat(size)begin if(shift_opb1)result=result+shift_opa;shift_opa=shift_opa 1;/Shift right end endendmodule循环语句循环语句【例3-25】使用for循环语句
23、实现一个参数化的多位乘法器。module mult_for(result,op_a,op_b);parameter size=4;input size:1 op_a,op_b;output 2*size:1 result;reg 2*size:1 shift_opa,result;reg size:1 shift_opb;always(op_a or op_b)begin:mult /由于块中定义了局部变量i，此处必须给块命名 integer i=0;result=0;shift_opa=op_a;shift_opb=op_b;for(i=0;isize;i=i+1)begin if(shif
24、t_opb1)result=result+shift_opa;shift_opa=shift_opa 1;/Shift right end endendmodule循环语句循环语句【例3-26】使用for循环语句实现一个参数化的多位乘法器的另一种算法。module mult_for2(result,op_a,op_b);parameter size=4;input size:1 op_a,op_b;output 2*size:1 result;reg 2*size:1 shift_opa,result;reg size:1 shift_opb;always(op_a or op_b)begin
25、:mult integer j;result=0;for(j=1;j=size;j=j+1)if(op_bj)result=result+(op_a1)if(tempreg0)count=count+1;end任务和函数语句任务和函数语句【例3-28】用任务实现输入数据按位逆序后输出的功能Verilog实现代码如下：module task_ex(clk,D,Q);input clk;input MAX_BITS:1 D;output reg MAX_BITS:1 Q;parameter MAX_BITS=8;task reverse_bits;input MAX_BITS:1 data;out
26、put MAX_BITS:1 result;integer K;for(K=0;KMAX_BITS;K=K+1)resultMAX_BITS-K=dataK+1;endtaskalways (posedge clk)reverse_bits(D,Q);endmodule任务和函数语句任务和函数语句【例3-29】用函数实现输入数据位逆序后输出的功能Verilog实现代码如下：module function_ex(clk,D,Q);input clk;input MAX_BITS:1 D;output reg MAX_BITS:1 Q;parameter MAX_BITS=8;functionMA
27、X_BITS:1 reverse_bits;input MAX_BITS:1 data;integer K;for(K=0;KMAX_BITS;K=K+1)reverse_bitsMAX_BITS-K=dataK+1;endfunctionalways (posedge clk)Q=reverse_bits(D);endmodule3.5 小结小结在本章，我们讨论了以下知识点：本章从一个典型数字电路实例入手来引入建模方法，介绍Verilog HDL的常用建模方法，并重点介绍门级建模、数据流级建模和行为级建模方法。门的基本类型包括与门（and）、或门（or）、与非门（nand）、或非门（nor）
28、、异或门（xor）、同或门（xnor）、缓冲器（buf）和非门（not）等。每种门都有逻辑符号、真值表和对应的verilog原语。这些原语的调用方法和模块的调用方法一样，但这些原语是verilog语言预定义的（不需要自行编写）。门的任意一个输入发生变化以后，门的输出立即被重新计算。连续赋值语句是数据流建模的主要语法结构。连续赋值语句总是处于有效状态，即任一操作数的变化都会立即导致对表达式的重新计算。连续赋值语句的左侧必须是线网类型的变量或者拼接。任何逻辑功能都能够使用连续赋值语句来完成。3.5 小结小结运算符的类型包括算术、关系、逻辑、按位、缩减、条件、移位和位拼接运算符。单目、双目和三目运算
29、符分别具有一个、两个和三个操作数，而拼接运算符可以具有任意多个操作数。由于运算符的优先级被忽视或混淆而造成错误的情况经常发生。为了避免源于运算符优先级的运算错误，在不确定运算符优先级的情况下，建议读者使用小括号将各个表达式分开。另外，使用括号也可以提高程序的可读性，明确表达各运算符间的优先关系。电路的门级描述、数据流描述、行为描述，抽象层次越来越高，但也越来越接近人的思维，方便设计者高效准确的进行系统设计。利用任务和函数可以把一个很大的程序模块分解成许多较小的任务和函数，这样便于理解和调试。Veirlog HDL函数和任务在综合时被理解成具有独立运算功能的电路，每调用一次函数相当于改变这部分电路的输入以得到相应的计算结果。学会使用task和function语句可以简化程序的结构，使程序明白易懂，是编写较大型模块的基本功。P79 T1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11作业作业
