FPGA verilog入门案例笔记一

Verilog 是一种硬件描述语言（HDL），广泛应用于电子系统级（ESL）到寄存器传输级（RTL）的数字系统建模。

1. 模块（Module）

Verilog 代码的基本单位是模块，它代表了一个硬件组件。一个模块可以包含端口（port）定义、输入/输出、变量、函数和过程等。

用法案例：一个简单的 LED 控制器模块

module led_controller(
input wire clk, // 时钟信号
input wire reset, // 复位信号
output reg led // LED 输出
);

// 初始化 LED 为关闭状态
initial begin
led = 0;
end

// 时钟驱动的逻辑
always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
// 如果复位信号为高，LED 关闭
led <= 0;
end else begin
// 否则，LED 状态切换
led <= ~led;
end
end

endmodule

2. 数据类型

Verilog 支持多种数据类型，包括位（bit）、位向量（bit-vector）、逻辑（logic）、整数（integer）、实数（real）等。

用法案例：使用位向量和整数

module counter(
input wire clk,
input wire reset,
output reg [7:0] count // 8位计数器
);

reg [7:0] temp;

always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
temp <= 0;
end else begin
temp <= temp + 1; // 使用整数加法
if (temp == 255) begin // 使用整数比较
temp <= 0;
end
end
end

assign count = temp; // 将内部寄存器值赋给输出端口

endmodule

3. 运算符

Verilog 支持多种运算符，包括算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、位运算符等。

用法案例：使用位运算符

module bit_manipulation(
input wire [7:0] a,
input wire [7:0] b,
output reg [7:0] result
);

always @(*) begin
// 使用位与、位或和位移运算符
result = (a & b) | (a << 2) | (b >> 1);
end

endmodule

4. 条件语句

Verilog 使用 if-else 和 case 语句来实现条件逻辑。

用法案例：使用 if-else 语句

module mux2to1(
input wire [1:0] sel,
input wire [7:0] a,
input wire [7:0] b,
output reg [7:0] out
);

always @(*) begin
if (sel == 2'b00) begin
out = a;
end else if (sel == 2'b01) begin
out = b;
end else begin
out = 8'hFF; // 如果选择信号无效，输出高阻态或其他值
end
end

endmodule

5. 循环语句

Verilog 支持 for、while 和 repeat 循环语句，但通常只在 initial 和 always 块中的仿真模型中使用，而不是在硬件模型中。

6. 函数和任务（Functions and Tasks）

Verilog 允许定义函数和任务来封装可重用的代码块。函数返回单个值，而任务可以返回多个值或没有返回值。

7. 实例化（Instantiation）

在 Verilog 中，一个模块可以被其他模块实例化，从而构建更复杂的系统。

用法案例：实例化 LED 控制器和计数器

module system_top(
input wire clk,
input wire reset,
output wire led
);

// 实例化 LED 控制器和计数器模块
led_controller led_ctrl(
.clk(clk),
.reset(reset),
.led(led)
);

8. 系统任务和函数（System Tasks and Functions）

Verilog 提供了一组系统任务和函数，用于与仿真环境进行交互，例如读取或写入文件、显示消息等。常用的系统任务包括 $display、$write 和 $readmemb 等。

用法案例：使用 $display 系统任务显示消息

module test_display;

initial begin
$display("Hello, Verilog!");
#10 $display("This is a test message.");
end

endmodule

9. 时间控制（Timing Control）

在 initial 和 always 块中，可以使用时间控制来模拟硬件的延迟或同步行为。例如，#10 表示等待 10 个时间单位的延迟。

10. 参数化设计（Parametric Design）

Verilog 支持参数化设计，允许模块在实例化时接受参数，从而实现更灵活和可重用的设计。

用法案例：参数化计数器模块

module counter_param(#(parameter WIDTH = 8) // 默认宽度为 8 位
input wire clk,
input wire reset,
output reg [WIDTH-1:0] count
);

// ... 计数器逻辑 ...

endmodule

// 实例化时指定宽度为 16 位
counter_param #(.WIDTH(16)) cnt16(
.clk(clk),
.reset(reset),
.count(count16)
);