【FPGA入门】第一篇、Verilog基本语法常识

学习C语言可以知道赋值就是用=号，int a = 15;//将15赋值给a；
然而在verilog语法中也有 =(阻塞赋值) 这种赋值方式，当然除了这种方式还有 <=(非阻塞赋值)这种方式；
阻塞赋值 = （例如 a = b;）：a的值在赋值语句执行完后立刻就改变的，用在组合逻辑；
非阻塞赋值 <= （例如 a <= b ;）：a的值想要发生变化，必须要在时钟的上升沿/下降沿，用在时序逻辑；

3、什么是阻塞？什么是非阻塞？

阻塞：假设信号pi_a在导线上传输的时间为5ns，pi_b在导线上传输的时间是10ns，而po_c的值因为pi_b晚到5ns而被阻塞。

非阻塞：假设信号pi_a在导线上传输的时间为5ns，pi_b在导线上传输的时间是10ns，虽然po_c存在阻塞问题，但是Q端输出的结果只取决于clk上升沿/下降沿到来时D端的瞬时结果，因次Q输出不存在阻塞。

总结：

你想要在时钟的上升沿到来时才想要输出变化那就用非阻塞，你想要输出变化之取决与输入，输入变化，输出就变换那就用非阻塞。
组合逻辑只能用阻塞赋值，时序逻辑只能用非阻塞赋值。

第二部分、变量位宽的定义

1、各种系统默认情况

不注明位宽的情况下，默认位宽为1。

input a;//默认为wire类型，位宽为1位

reg clk;
reg key1,key2;

2、变量位宽声明方式

wire [高位:低位]变量名;
reg  [高位:低位]变量名;

wire [高位:低位]变量名[denth:0];//表示数据深度
reg  [高位:低位]变量名[denth:0];//表示数据深度
//上面这种定义调用时
变量名[i];  默认认为是第几个数据，而不是该数据的第几位，除非再加一个括号，才表示第几位

3、表明位宽的情况下，赋值方式

//wire类型的变量
wire [7:0] value;

assign value = 8'd255 = 8'hff = 8'b1111_1111 = 'd255;//你是几位，那么赋值就一定要带上那个位数，不管你赋的什么值
assign value = 255;//系统默认255为32位的十进制数据，然后截取低8位数据到value中。

//reg类型的变量
reg [7:0] value;
assign@ (posedge clk) begin
value <= 8'd255;
value <= 8'hff;
value <= 8'b1111_1111;
value <= 'd255;
end

4、两个模块之间例化，不定义变量直接用的方式

一位位宽的wire类型变量在不输入也不输出的情况下，可以不声明，但是这种做法不推荐，容易翻车，写的代码别人看不懂。

5、常用的变量定义为参数

注意：parameter后面的参数建议定义成大写字符

一般情况下，变量定义为小写字母，参数定义为大写字母。

parameter LEN 100;//相当于C语言中的#define LEN 100

第三部分、赋值语句

1、assign和always赋值语句的区别

1、assign赋值语句：

assign只能实现组合逻辑；
assign语句后面只能跟一条语句；
wire型变量，必须在assign中进行赋值。

assign 表达式;

2、always赋值语句：

always赋值语句不但能实现时序逻辑，还能实现组合逻辑；
reg型变量，必须在always中进行赋值；
always敏感信号可分为边沿触发和电平触发；
电平触发时always@(*) = always@(a or b) = always@(a ，b)；
电平触发：敏感列表触发电平信号不全会导致锁存器的产生；
always@(边沿触发)：非阻塞赋值语句，对应时序逻辑电路。
always@(电平触发)：阻塞赋值语句，对应组合逻辑电路。

注意：一个变量只能在一个always语句块中被赋值，不能在两个语句块中赋值，因为always语句块是并行执行的，会产生冲突。

always@(敏感信号)begin
    语句;
end

2、assign和always赋值语句的例子

module variable_assignment(
    input wire clk,
    input wire a,
    input wire b,

    output wire c,
    output reg  c1,
    output reg  c2
    );

//assign combinatorial logic
assign c = a & b;

//always combinatorial logic
always@(*)begin
    c1 = a & b;
end
always@(a,b)begin//equivalence
     c1 = a & b;
end
always@(a or b)begin//equivalence
     c1 = a & b;
end

//sequential logic
always @(posedge clk)begin
    c2 <= a & b;
end 
endmodule

3、inital语句

inital语句是初始化语句，但是不能写在可综合模块中，因为有些综合软件无法综合inital语句。
inital语句中被赋值的变量必须是reg类型。

//举例子
initial begin
    clk = 0;
    a = 0;
    b = 0;
end

4、reg类型变量的初始值问题

reg类型的变量是可以赋初始值，但是有个条件就是这个reg类型的变量不能在后面的语句中被综合为了组合逻辑，只有reg是时序逻辑才可以在fpga里赋值初始值。（最好是这样，记住就可以）
reg变量既可以生成时序逻辑，也可以生成组合逻辑。
reg赋初始值时要用阻塞赋值。

第四部分、运算符号

1、算数运算符（+，-，*，/，%）

注意：在功能模块中尽量减少使用*，/，%这三种运算。

2、关系运算符（>、=、<=、>=、==、!=）

注意：小于等于（<=），在条件判断语句中和非阻塞赋值有点像，所以一定要注意，不要犯错！！

3、逻辑运算符（&&、||、！）

返回的值要么为真，要么为假。

4、位运算符（&、|、~）

5、三目/条件运算符（(x)?x:x）

6、赋值运算符（= 、<=）

7、移位运算符（>>、<<）

多次左移，会使数据溢出，例如0001，在左移4次后会变为0000，丢失一位数据，回到0。这在循环右移的代码中就会节约一个选择器。

8、位拼接运算符（{}）

一个非常巧妙的利用位拼接符实现循环左移的方法。

妙蛙种子吃了妙脆角妙进米奇妙妙屋，秒到家的移位操作！！！！！！

示例如下：

module operational_sign_homework(
    input wire clk,
    input wire rst,
    output reg [7:0]po_a = 1'b0//give an initial value
    );
//循环左移的方式
always@(posedge clk) begin
        if(rst == 1'b1)    //这里采用同步复位的方式
            po_a <= 8'd1;
        else if(po_a == 8'b1000_0000)//多消耗一个寄存器
            po_a <= 8'b0000_0001;
        else 
            po_a <= po_a << 1;


//通过位拼接操作符来实现循环左移（太刁了，比上面的方法好）
always@(posedge clk) begin
        if(rst == 1'b1)
            po_a <= 8'd1;
        else 
            po_a <= {po_a[6:0],po_a[7]};//每来一次上升沿，我就搬移一次，就形成了循环
    end    
endmodule

第五部分、条件判断语句

条件判断语句有if else 和 case endcase这两种，这两种语句的赋值都必须放在always语句中。

1、if else语句的注意事项

1.1、if else语句叠加不能太多，老师的经验是不能大于8级，因为if else是串行执行的语句，如果太多就会导致线路的延时太多，进而导致时序违例。

1.2、if else语句书写的时候要考虑优先级。

1.3、if else语句结尾尽量以else结尾，这样可以避免锁存器的产生。

什么是时序违例？

也就是说：当前时钟上升沿我把信号给了当前的电路模块，因为当前个电路模块时延很严重，经过一个时钟周期后，到了下一个时钟的上升沿，正常情况下你这个模块就应该输出处理好的输出信号，结果因为时延，我在输出端口检测不到输出信号。

通常表现上是：建立时间不满足要求通常是因为组合逻辑处理时间太长、保持时间不满足要求通常是因为组合逻辑处理时间太短。

2、begin end问题

begin end就是括号等价于C语言中{}。

always@(posedge clk) begin
    if(rst == 1'b1)
        po_a <= 8'd1;
    else 
        po_a <= 8'd0;
  end
//需要注意的是，加begin end和不加begin end都是对的！！！！
always@(posedge clk) 
    if(rst == 1'b1)
        po_a <= 8'd1;
    else 
        po_a <= 8'd0;

3、case endcase语句的注意事项

case语句结尾必须时endcase。
case语句是并行执行，(多路选择器)所以多种条件时使用case endcase语句比使用if else速度要快，但是case endcase也不能非常多。
case的条件在没有完全列清楚的情况下，要用default语句。

//可以带上begin end
always@(posedge clk)
    case(po_a)
    1:    po_a <= 8'd1;
    2:    po_a <= 8'd2;
    default: po_a <= 8'd0;
    endcase
//带上begin end
   always@(posedge clk)
    case(po_a)
    1:begin    
        po_a <= 8'd1;
    end    
    2:    po_a <= 8'd2;
    default: po_a <= 8'd0;
    endcase

第六部分、赋值分隔符问题

当在数值前面声明了位宽以及进制，这种表达方式可以放数值的分隔符。

下面两种表达方式都可以，这两条语句完全等价：

parameter END_COUNT = 'd49_999_999;
parameter END_COUNT = 26'd49_999_999;//这两条语句完全等价

当数值前面没有带位宽以及进制，系统默认为32位的十进制数据，这个时候无法再对数据放置分隔符。

错误的表达方式：

parameter END_COUNT = 49_999_999;//错误的表达方式

第七部分、编写测试代码时常用的语句

1、随机数产生代码

a = {$random}%256;//产生0~255的随机数据

2、初始化代码模块

initial begin
    clk = 0;
    rst_n = 0;
    #100;
    rst_n = 1;
end

3、时钟产生代码

always #20 clk = ~clk;

4、延时代码

#200;//延时200ns

第八部分、总结

这些都是我在使用过程的一些总结，希望能够对你帮助🤓🤓🤓。

然后这篇文章将给大家带来一个新的系列那就是【FPGA入门】，我会在这个系列中记录一些有趣的实验和心得，虽然之前也写过FPGA的相关内容，但是那部分内容主要是学习Altera中的Nios II中的IP核。

而这个系列是我正式入门FPGA学习的过程，所以我会尽量保证接下来每一篇文章的质量，当然我也是一个比较笨的人，写博客的过程中总有一些错误，希望读者发现后及时告诉我，我们一起进步。

最后，希望大家可以继续关注后面的文章。冲！

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大屁桃

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