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Verilog基础（三）：过程

news 2025/9/18 15:44:55

过程(Procedures)

- Always块 – 组合逻辑 (Always blocks – Combinational)

由于数字电路是由电线相连的逻辑门组成的，所以任何电路都可以表示为模块和赋值语句的某种组合.

然而，有时这不是描述电路最方便的方法.

两种always block是十分有用的：

组合逻辑： always @(*)
时序逻辑： always @(posedge clk)

always @(*)就相当于赋值语句–assign，因此选择哪一种语法仅仅取决与方便程度.

block内还有更丰富的语句集，比如if-else，case等等.但不能包含连续赋值，即不可包含assign，因为他与always @(*)冲突.

以下语句是等价的

assign out1 = a & b | c ^ d;
always @(*) out2 = a & b | c ^ d;

Module Declaraction

module top_module(input a， input b，output wire out_assign，output reg out_alwaysblock
);

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module(input a， input b，output wire out_assign，output reg out_alwaysblock
);assign out_assign = a&b;always @(*) out_alwaysblock = a&b;
endmodule

- Always块 – 时序逻辑 (Always blocks – Clocked)

verilog中有三种赋值方式：

连续赋值： assign x = y; 不能在always-block内使用
阻塞赋值： x = y;，只能在always-block内使用
非阻塞赋值： x <= y，只能在always-block内使用

请在组合逻辑中使用阻塞赋值，在时序逻辑中使用非阻塞赋值
否则将产生难以发现的错误

请实现如下电路：

Module Declaraction

module top_module(input clk，input a，input b，output wire out_assign，output reg out_always_comb，output reg out_always_ff   );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module(input clk，input a，input b，output wire out_assign，output reg out_always_comb，output reg out_always_ff   );
assign out_assign = a^b;always @(*) out_always_comb = a^b;always @(posedge clk) out_always_ff <= a^b;
endmodule

- If语句

if语句通常创建一个2对1的多路选择器，如果条件为真，则选择一个输入，如果条件为假，则选择另一个输入.

以下两种写法是等价的：

always @(*) beginif (condition) beginout = x;endelse beginout = y;end
endassign out = (condition) ? x ： y;

建立一个在a和b之间选择的2对1多路选择器.如果sel_b1和sel_b2都为真，则选择b.否则，选择a.

执行相同的操作两次，一次使用assign语句，一次使用if语句.

Module Declaraction

module top_module(input a，input b，input sel_b1，input sel_b2，output wire out_assign，output reg out_always   );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module(input a，input b，input sel_b1，input sel_b2，output wire out_assign，output reg out_always   ); assign out_assign = (sel_b1&sel_b2)?b：a;always @(*) beginif(sel_b1&sel_b2) beginout_always = b;endelse beginout_always = a;endend
endmodule

- If语句引发的锁存(latches)

以下代码包含锁存的错误行为.

Module Declaraction

always @(*) beginif (cpu_overheated)shut_off_computer = 1;
endalways @(*) beginif (~arrived)keep_driving = ~gas_tank_empty;
end

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (input      cpu_overheated，output reg shut_off_computer，input      arrived，input      gas_tank_empty，output reg keep_driving  ); //always @(*) beginif (cpu_overheated) beginshut_off_computer = 1;endelse beginshut_off_computer = 0;endendalways @(*) beginif (~arrived&~gas_tank_empty) beginkeep_driving = ~gas_tank_empty&(~arrived);endelse beginkeep_driving = ~(gas_tank_empty|arrived);endendendmodule

If语句在硬件描述语言（如Verilog）中用于描述受条件控制的电路。然而，不当的If语句使用可能会引发锁存器（latches）的产生，这在FPGA或ASIC设计中通常是不希望看到的。以下是对If语句引发锁存器的详细分析：

一、锁存器的基本概念

锁存器是一种在异步电路系统中对输入信号电平敏感的单元，用来存储信息。当锁存信号有效时，数据被锁存，输入信号不再起作用。锁存器也被称为透明锁存器，因为不锁存时输出对于输入是透明的。

二、If语句引发锁存器的情况

在Verilog中，If语句引发锁存器的情况主要包括以下几种：
1. 组合逻辑中If语句缺少Else分支：
  - 在组合逻辑电路中，如果If语句没有覆盖所有可能的条件，并且没有提供Else分支来指定其他条件下的输出，那么综合工具可能会推断出一个锁存器行为来保持上一个状态。
  - 例如，if (enable) reg <= data; 当enable为假时，reg的值将保持不变，这可能导致锁存器的产生。
2. 敏感信号列表不完整：
  - 在always块中使用非阻塞赋值（<=）时，如果没有显式的敏感信号列表或者敏感信号列表不完整，也可能导致锁存器的产生。
  - 这是因为综合器可能无法正确判断何时应更新信号，从而推断出锁存器行为来保持信号状态。
3. 输出变量赋值给自己：
  - 在If语句或组合逻辑中，如果输出变量被赋值给自己（即赋值表达式中包含输出变量自身），也可能导致锁存器的产生。
  - 这是因为输出变量需要具有存储功能来保持其上一个状态。
三、避免If语句引发锁存器的策略

为了避免If语句引发锁存器，可以采取以下策略：
1. 确保If语句结构完整：
  - 在组合逻辑中，确保If语句覆盖所有可能的条件，并提供Else分支来指定其他条件下的输出。
  - 这有助于确保输出在所有条件下都有一个已知的状态，从而避免锁存器的产生。
2. 使用阻塞赋值明确表达组合逻辑：
  - 在组合逻辑中，使用阻塞赋值（=）来明确表达逻辑关系，而不是使用非阻塞赋值。
  - 这有助于综合工具正确识别组合逻辑并避免推断出锁存器。
3. 完善敏感信号列表：
  - 在使用非阻塞赋值时，确保always块有完整的敏感信号列表。
  - 这有助于综合工具正确判断何时应更新信号并避免锁存器的产生。
4. 避免输出变量赋值给自己：
  - 在组合逻辑中，避免将输出变量赋值给自己。
  - 如果需要保持上一个状态，可以考虑使用触发器（Flip-Flop）而不是锁存器。
四、锁存器的危害与替代方案

锁存器在FPGA或ASIC设计中可能带来以下危害：

不可预测的时序行为：锁存器的输出取决于输入信号的持续电平，而不是特定的时钟边沿，这使得时序分析和预测更加困难。
系统不稳定：由于锁存器的输出直接由输入决定，任何输入上的噪声或毛刺都会立即反映到输出上，可能导致系统不稳定或误操作。
资源利用率降低：FPGA内部的锁存器实现通常不如寄存器高效，可能降低资源利用率并增加功耗。

因此，在FPGA设计中，通常推荐使用寄存器（触发器）来代替锁存器，除非有特殊的应用场景要求锁存器的使用。寄存器在时钟边沿更新，提供了更可预测和稳定的行为，便于时序分析和设计验证。

综上所述，If语句在硬件描述语言中的使用需要谨慎，以避免引发不必要的锁存器。通过确保If语句结构完整、使用阻塞赋值明确表达组合逻辑、完善敏感信号列表以及避免输出变量赋值给自己等策略，可以有效避免锁存器的产生。

- Case语句

verilog中的case语句几乎等同于if elseif else的序列，该序列将一个表达式与其他表达式列表进行比较.它的语法和功能与C语言中的switch语句不同.

always @(*) begin     // This is a combinational circuitcase (in)1'b1： begin out = 1'b1;  // begin-end if >1 statementend1'b0： out = 1'b0;default： out = 1'bx;endcase
end

case语句以case开头，每个"case item"以冒号结尾，没有switch
每个case项只能执行一条语句.这使得C中使用的“break”不必要.但这意味着如果需要多个语句，必须使用begin…end

如果有大量选项的情况，case语句比if语句更方便.因此，在本练习中，创建一个6对1的多路选择器.当sel介于0和5之间时，选择相应的数据输入，否则，输出0.数据输入和输出均为4位宽.小心锁存.

Module Declaraction

module top_module ( input [2：0] sel， input [3：0] data0，input [3：0] data1，input [3：0] data2，input [3：0] data3，input [3：0] data4，input [3：0] data5，output reg [3：0] out   );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module ( input [2：0] sel， input [3：0] data0，input [3：0] data1，input [3：0] data2，input [3：0] data3，input [3：0] data4，input [3：0] data5，output reg [3：0] out   );//always@(*) begin  // This is a combinational circuitcase(sel)3'b0： beginout = data0;end3'b001： beginout = data1;end3'b010： beginout = data2;end3'b011： beginout = data3;end3'b100： beginout = data4;end3'b101： beginout = data5;enddefault： beginout[3：0] = 0;endendcaseendendmodule

- 简单编码器1

priority encoder是一种组合电路，当输入一个vector时，输出第一个’1’出现的位置.例如：输入8’b10010000，输出3’d4，因为[4]是第一个高位.
构建一个4位encoder，若全是低位则输出0.

Module Declaraction

module top_module (input [3：0] in，output reg [1：0] pos  );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (input [3：0] in，output reg [1：0] pos  );always @(*) beginif (in[0] == 1'b1) beginpos = 2'd0;endelse beginif(in[1] == 1'b1) beginpos = 2'd1;endelse beginif(in[2] == 1'b1) beginpos = 2'd2;endelse beginif(in[3] == 1'b1) beginpos = 2'd3;endelse beginpos = 0;endendendendend
endmodule

- 简单编码器2

假如现在输入是8位，那么就会有256种情况，我们可以使用casez来将item减少到9种.
例如：

always @(*) begincasez (in[3：0])4'bzzz1： out = 0;   // in[3：1] can be anything4'bzz1z： out = 1;4'bz1zz： out = 2;4'b1zzz： out = 3;default： out = 0;endcase
end

Module Declaraction

module top_module (input [7：0] in，output reg [2：0] pos  );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (input [7：0] in，output reg [2：0] pos  );
always @(*) begincasez (in[7：0])8'bzzzzzzz1： beginpos = 3'd0;end8'bzzzzzz1z： beginpos = 3'd1;end8'bzzzzz1zz： beginpos = 3'd2;end8'bzzzz1zzz： beginpos = 3'd3;end8'bzzz1zzzz： beginpos = 3'd4;end8'bzz1zzzzz： beginpos = 3'd5;end8'bz1zzzzzz： beginpos = 3'd6;end8'b1zzzzzzz： beginpos = 3'd7;enddefault： beginpos = 0;endendcase
end
endmodule

- 避免锁存

假设您正在构建一个电路来处理游戏中PS/2键盘的扫描代码.

接收到的最后两个字节的扫描代码，您需要判断是否已按下键盘上的一个箭头键.这涉及到一个相当简单的映射，它可以使用一个case语句(或者如果elseif)实现，有四个case.

Scancode [15：0]	Arrow key
16’he06b	left arrow
16’he072	down arrow
16’he074	right arrow
16’he075	up arrow
Anything	else none

为了避免创建锁存，必须在所有可能的条件下为所有输出分配一个值

Module Declaraction

module top_module (input [15：0] scancode，output reg left，output reg down，output reg right，output reg up  );

Solution

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (input [15：0] scancode，output reg left，output reg down，output reg right，output reg up  ); always @(*) beginleft = 0;down = 0;left = 0;right = 0;case (scancode)16'he06b： beginleft = 1;end16'he072： begindown = 1;end16'he074： beginright = 1;end16'he075： beginup = 1;enddefault： beginup = 0;down = 0;left = 0;right = 0;endendcaseend
endmodule

过程(Procedures)

- Always块 – 组合逻辑 (Always blocks – Combinational)

- Always块 – 时序逻辑 (Always blocks – Clocked)

- If语句

- If语句引发的锁存(latches)

- Case语句

- 简单编码器1

- 简单编码器2

- 避免锁存

更多语法特点

- 三目算符

- 优化运算1

- 优化运算2

- 循环 – 组合逻辑：实现Vector反转

- 循环 – 组合逻辑：实现255位计数器

- 循环：实现100位加法器

- 循环：实现100位BCD加法器

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