《Verilog HDL数字集成电路设计原理与应用（第三版）》全套教学课件

第1章VerilogHDL数字集成电路设计方法概述

第2章VerilogHDL基础知识

第3章VerilogHDL程序设计语句和描述方式

第4章VerilogHDL数字逻辑电路设计方法

第5章

仿真验证与Testbench编写

第6章VerilogHDL高级程序设计举例

第7章

仿真测试工具和综合工具

第8章SystemVerilog设计与验证全套可编辑PPT课件

1.1数字集成电路的发展和设计方法的演变

1.2硬件描述语言

1.3功能模块的可重用性与IP核

1.4VerilogHDL的发展和国际标准

1.5VerilogHDL在数字集成电路设计中的优点

1.6VerilogHDL在数字集成电路设计流程中的作用本课件是可编辑的正常PPT课件1.1数字集成电路的发展和设计方法的演变本课件是可编辑的正常PPT课件从20世纪60年代开始，随着数字集成电路的工艺、制造和设计技术的飞速发展，数字集成电路从最早的真空管和电子管电路，发展到以硅基半导体为主的集成电路。集成电路的规模从开始的仅几十个逻辑门的小规模集成电路发展到单芯片数达千万个逻辑门的极大规模集成电路，单芯片上可以集成几百亿只晶体管(见图1.1-1)。数字集成电路设计单元从起初的分立元件发展到IP复用；系统级别由早期的印制板系统发展到当下最为流行的片上系统；采用的7 nm和5 nm工艺技术已成熟，并迅速向更小尺寸的产品方向发展；功能方面也从开始的简单布尔逻辑运算发展到可以每秒处理数十亿次计算的复杂运算。因此，数字集成电路在计算机、通信、图像等领域得到了广泛应用。本课件是可编辑的正常PPT课件数字集成电路工艺制造水平的提高和芯片规模的扩大，使芯片的设计方法和设计技术发生了很大的变化，如图1.1-2所示。早期的数字系统大多采用搭积木式的原理图设计方法，通过一些固定功能的器件加上一定的外围电路构成模块，再由这些模块进一步形成功能电路。这种设计方法的灵活性差，只适合于中小规模的集成电路，当电路和模块的规模增大时，设计效率会降低。集成电路的发展可分为三个主要阶段。20世纪70年代为第一次变革时期，是以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段，主流产品是简单微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期，IC整合元件厂在IC市场中充当主要角色，设计部门只作为附属部门而存在。芯片设计和半导体工艺密切相关，设计主要以人工为主，计算机辅助设计系统仅作为数据处理和图形编程之用。本课件是可编辑的正常PPT课件20世纪80年代为第二次变革时期，是标准工艺加工线公司与IC设计公司共同发展的阶段，主流产品是MPU、微控制器及专用IC。这时，Foundry和IC设计公司相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。这一时期，IC产业开始进入以客户为导向的阶段。首先，标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等的要求；其次，由于小尺寸加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，超大规模集成电路开始成为主流芯片；再次，随着电子设计自动化工具软件的发展，采用了元件库、工艺模拟参数及其仿真概念等方法，芯片设计开始进入以计算机为主的抽象化软件阶段，设计过程可以独立于生产工艺而存在。无生产线的IC设计公司和设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展，同时以制造为主的Foundry工厂也迅速发展起来。1987年，全球第一个Foundry工厂—台湾积体电路公司成立，它的创始人张忠谋被誉为“晶芯片加工之父”。本课件是可编辑的正常PPT课件20世纪90年代为第三次变革时期，IC产业的“四业”(设计业、制造业、封装业、测试业)开始分离，功能强大的通用型中央处理器和信号处理器成为产业新的增长点。在这个阶段，芯片厂商认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不利于整个IC产业的发展，“分”才能精，“整合”才能成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面，全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。进入21世纪，IC产业的发展速度更是惊人；基于市场和社会发展的需要，数字集成电路正向多元化方向发展。在芯片的市场需求方面，移动通信、多媒体技术等应用的迅速发展，使具有特定功能的差异化专用芯片取代通用型芯片，逐渐成为数字IC的主要增长点。本课件是可编辑的正常PPT课件在技术方面，出现了新的发展方向。首先，CMOS模拟技术的发展使得数/模混合单芯片集成技术迅速发展，在设计和成本方面表现出了巨大优势；其次，应用需求使得存储器在ULSI芯片中的作用越来越明显，高密度存储器及其SoC成为设计的热点；再次，单芯片规模的扩大使得单纯依靠提升频率的发展路线出现技术瓶颈，大规模多内核处理器结构成为通用型芯片和SoC芯片的主流设计方式。在设计方法方面，功能复用IP的设计方式成为IC设计和商业化的一种主要方式，极大提高了ULSI芯片的设计效率和可扩展性。本课件是可编辑的正常PPT课件随着集成电路规模的迅速扩大和复杂度的不断提高，芯片设计和制造成本不断增加，设计、测试和制造工艺中的环节也随之增多，相应的设计过程变得越来越复杂，因此，设计者希望通过某种手段提高数字集成电路设计、验证的效率和可靠性。数字集成电路单元从起初的分立元件到单元，然后到寄存器传输级，再到IP复用技术；系统级别由原先的印制板系统到当下最为流行的SoC片上系统。由图1.1-1可以看出，数字集成电路技术的发展速度基本符合摩尔定律，芯片上晶体管的集成数目以每三年翻两番的速度在增长。超大规模集成电路的发展给设计者和开发者提出了一系列问题，如高层次综合、数/模混合电路描述、仿真验证与形式验证等自动验证手段、数字电路的超深亚微米效应以及设计重用等。这些问题给EDA技术的发展提出了一系列新的课题。为了从更高的抽象层次开展设计工作，增强元件模型的可重用性，提高硬件描述设计效率，采用硬件描述语言进行数字集成电路设计因此被提了出来。如何自动化、高效率地进行数字电路的设计，是HDL产生的出发点，也是其进一步完善和发展的目标。本课件是可编辑的正常PPT课件1.2硬件描述语言本课件是可编辑的正常PPT课件C、FORTRAN、Pascal等程序化设计语言极大地提高了计算机软件程序设计的效率和可靠性。因此，在硬件设计领域，设计人员也希望采用程序化设计语言来进行硬件电路的设计。为此，产生了硬件描述语言HDL。HDL是一种高级程序设计语言，通过对数字电路和系统进行语言描述，可以对数字集成电路进行设计和验证。利用HDL，数字集成电路设计工程师可以根据电路结构的特点，采用层次化的设计结构，将抽象的逻辑功能用电路的方式进行实现。为了提高HDL对数字电路设计、综合和仿真的能力，Mentor、Cadence、Synopsys等公司提供了功能强大的EDA工具，可以将HDL程序综合成为网表，通过自动布局布线工具把网表转换为具体电路布线结构，用以实现专用集成电路和现场可编程门阵列。本课件是可编辑的正常PPT课件HDL发展至今，产生了很多种对于数字集成电路的描述性设计语言，并成功地应用于设计的各个阶段(建模、仿真、验证和综合等)。20世纪80年代至今，已出现了上百种硬件描述语言，它们对设计自动化起到了极大的促进和推动作用，主要有GatewayDesignAutomation公司提出的VerilogHDL、美国国防部高级研究计划局(DARPA)设计的VHDL、美国国防部RPASSP计划提出的基于面向对象的OOVHDL、美国杜克大学的DEVHDL和电气电子工程师学会支持的VITAL等。目前，最为常用的硬件描述语言有两种，分别是VerilogHDL和VHDL。其中，VHSIC是VeryHighSpeedIntegratedCircuit的缩写，故VHDL准确的中文译名应为超高速集成电路硬件描述语言。VerilogHDL和VHDL都是完备的HDL设计和验证语言，具有完整的设计方法和设计规范。它们可以设计和验证超大规模数字集成电路，并且分别在1995年和1987年被采纳为IEEE国际标准。选用哪种语言进行数字集成电路开发，主要取决于设计单位的基础、计划采用的设计方案和EDA工具。本课件是可编辑的正常PPT课件这两种HDL具有较多的共同点：(1)能形式化地抽象表示电路的行为和结构；(2)支持逻辑设计中层次与范围的描述；(3)可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述，具有电路仿真与验证机制，以保证设计的正确性；(4)支持电路描述由高层到低层的综合转换；(5)硬件描述与实现工艺无关(有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去)；(6)便于文档管理；(7)易于理解和设计重用。本课件是可编辑的正常PPT课件作为两种不同的标准化HDL，VerilogHDL和VHDL在设计方法和设计范围方面也有一些各自的特点：(1)在设计方法方面，VHDL语法结构紧凑、灵活性差、设计规则烦琐，初学者需要用较长时间掌握它。由于语法规则严谨性高，VHDL的可综合性和代码一致性很强，适用于规模较大的数字集成电路系统设计。而VerilogHDL的语法结构和设计方法灵活，初学者掌握语言的难度较小，设计也较容易进行综合和验证；但是，由于所设计代码风格的多样性，当数字电路规模较大时，代码的管理和系统设计难度较大。当然，作为经验丰富的数字电路设计工程师，采用何种语言进行设计的关键在于对语言和电路的掌握能力和对设计规范的理解程度。为了发挥两种语言在设计方面各自的优势，EDA工具厂商提供了VerilogHDL和VHDL的混合设计、验证和综合方法。因此，设计人员只需掌握其中一种HDL即可。本课件是可编辑的正常PPT课件(2)在设计范围方面，VerilogHDL和VHDL有一个显著的区别：VerilogHDL可以描述系统级、算法级、寄存器传输级、门级和开关级电路，VHDL则不具备开关级电路描述能力。在FPGA和CPLD等用户可配置数字电路的设计中，由于最小可配置电路是门级电路，没有开关级可配置电路，因此两种语言的设计能力相当。但是在专用数字集成电路设计和开关级描述方面，VerilogHDL的设计范围比VHDL略大一些。图1.2-1是VerilogHDL和VHDL在电路建模能力方面的比较。随着数字集成电路工艺和设计方法的快速发展，这两种语言也在不断丰富和改进，以满足更大、更高速、更复杂的数字集成电路系统设计的要求。本课件是可编辑的正常PPT课件1.3功能模块的可重用性与IP核本课件是可编辑的正常PPT课件HDL的标准化极大地扩展了VerilogHDL和VHDL的使用范围，并增强了其通用性。目前绝大多数的数字集成电路和FPGA的开发都采用了HDL。这使得VerilogHDL和VHDL的功能模块积累得越来越多，同时也极大地提高了功能模块的可重用性。由于模块的可重用性对于硬件电路开发效率的提高至关重要，因此业界提出了数字集成电路的软核(SoftCore)、固核(FirmCore)和硬核(HardCore)的概念。软核一般是指经过功能验证、5000门以上的可综合VerilogHDL或VHDL模型。软核通常与设计方法和电路所采用的工艺无关，具有很强的可综合性和可重用性。由软核构成的器件称为虚拟器件，通过EDA综合工具可以把它与其他数字逻辑电路结合起来，构成新的功能电路。软核的可重用性大大缩短了设计周期，提高了复杂电路的设计能力。固核通常是指在FPGA器件上，经过综合验证、大于5000门的电路网表文件。本课件是可编辑的正常PPT课件硬核通常是指在ASIC器件上，经过验证、正确的、大于5000门的电路结构版图掩膜。软核、固核和硬核是目前数字集成电路功能单元模块在不同层级使用的三种形式。由于软核采用可读性较高的可综合HDL实现，因此其可维护性和可重用性高，使用也更加灵活和便捷。固核和硬核是针对不同芯片平台的功能单元，性能稳定，不易修改。商用软核通常都有针对不同芯片和工艺而定制的硬核和固核，可以从不同层次提高数字电路功能模块的可重用性。目前，国际设计领域正试图通过建立相应的标准化组织，推广和规范软核的使用方式，如虚拟接口联盟(VirtualSocketInterfaceAlliance)希望通过接口的标准化来提高HDL设计模块的可重用性。软核、固核和硬核的产生和推广，为集成电路的设计和开发提供了一种新的商业模式。现在，超大规模的ASIC和FPGA设计更多采用的是不同公司功能模块的组合，通过开发特定功能的部件电路，形成具有特定功能的芯片和系统。相应的内核成为各个公司重要的资产，并拥有特殊的知识产权。本课件是可编辑的正常PPT课件IP核是具有知识产权核的集成电路芯核的总称，是经过反复验证的、具有特定功能的宏模块，且该模块与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中。到了SoC阶段，向用户提供IP核服务已经成为可编程逻辑器件提供商的重要任务。在SoC芯片的设计生产过程中，芯片的生产厂家只需根据设计需要购入相应功能的IP核，再将这些IP核按照设计要求进行组合，即可完成所需特定功能的设计，如图1.3-1所示。这样可以大大减少设计人力的投入并降低风险，缩短设计周期，确保产品质量。对于可编程提供商来说，能够提供的IP核越丰富，用户的设计就会越方便，其市场占有率就越高。现在，IP核已经成为系统设计的基本单元，并作为独立设计成果被交换、转让和销售。目前，全球最大的IP核设计公司是英国的ARM公司。通过IP核的市场推广，不同性能的ARM被广泛用于通信、计算机、媒体控制器、工业芯片中，极大地提高了设计的效率。这种商业模式为数字集成电路的发展作出了重要贡献。本课件是可编辑的正常PPT课件1.4VerilogHDL的发展和国际标准本课件是可编辑的正常PPT课件VerilogHDL是一种常用的硬件描述语言，可以从系统级、电路级、门级到开关级等抽象层次进行数字电路系统的建模、设计和验证工作。利用该语言可以设计出简单的门级电路，甚至功能完整的数字电路系统。从设计之初到目前的广泛应用，VerilogHDL经过40多年的发展，其功能也由最初的数字集成电路设计发展到数字和模拟电路设计(见图1.4-1)，它已经成为数字电路和数字集成电路中使用最为广泛的设计语言。VerilogHDL最初是由GatewayDesignAutomation(GDA)公司于1983年为其模拟器产品开发的硬件建模语言。作为一种便于使用的专用设计语言，VerilogHDL被广泛用于模拟器和仿真器中，并逐渐为众多设计者所接受。在随后的几年，VerilogHDL开始在数字电路设计领域广泛使用。1987年，Synopsys公司开始使用VerilogHDL作为综合工具的输入，为在数字集成电路上的应用提供了EDA综合工具，提高了电路描述性设计方式的效率。本课件是可编辑的正常PPT课件1989年，Cadence公司收购了GDA公司，VerilogHDL成为Cadence公司的专有设计语言。为了在更大范围内推广和使用VerilogHDL，1990年Cadence公司决定公开VerilogHDL，于是成立了OVI(OpenVerilogInternational)组织，负责促进VerilogHDL的发展。本课件是可编辑的正常PPT课件1993年，几乎所有的ASIC厂商都开始支持VerilogHDL，并且认为VerilogHDL-XL是最好的仿真器。同时，OVI组织推出VerilogHDL2.0规范，IEEE接受了将其作为IEEE标准的提案。自此，VerilogHDL正式成为数字集成电路设计语言的标准(见表1.4-1)。1995年年底，IEEE制定了第一个VerilogHDL标准VerilogIEEE1364-1995。在此基础上，于2001年又增加了部分功能，并制定了较为完善的标准VerilogIEEE1364-2001。目前在数字集成电路方面主要采用的就是这两个标准所规定的程序语法和设计规范。在模拟电路设计方面，基于IEEE1364VerilogHDL规范，提出了模拟电路行业的标准建模语言Verilog-A，以提高模拟集成电路的程序化设计能力。

本课件是可编辑的正常PPT课件在系统级设计方面，传统的设计方法采用C语言等高级软件语言进行数学模型的建立和分析，通过定点化设计，将数学模型转变成电路模型，最后采用HDL进行电路设计。这种方法的缺点是，数学模型的建立和电路设计是独立的，从而导致设计周期长、需要的人员和软件多，且存在重复性的工作等问题。研究和开发人员希望能将数学模型直接用于数字集成电路的设计，以提高集成电路的设计效率，这就给EDA工具厂商提出了新的要求。为了满足这一要求，2005年诞生了SystemVerilogIEEE1800-2005标准。该标准建立在VerilogHDL的基础上，在系统层次上增强了模型建立和验证的功能，是VerilogIEEE1364—2001标准的扩展，向下兼容VerilogIEEE1364-2001，成为新一代硬件设计和验证的语言。关于SystemVerilog语言将在第8章介绍。本课件是可编辑的正常PPT课件1.5VerilogHDL在数字集成电路设计中的优点本课件是可编辑的正常PPT课件在数字集成电路出现的最初几十年中，数字逻辑电路和系统的设计规模较小，复杂度也低。ASIC、FPGA和CPLD的设计工作采用厂家提供的专用电路图工具，通过连接线将定制电路单元进行互连实现。而随着电路规模的增加，设计人员通常要花费很多的时间做大量重复的手工布线工作，同时为了达到设计目标，对于大量定制单元电路还要求分厂也要熟悉。这种低效率的设计方式持续了很长时间。VerilogHDL和EDA工具的出现和发展，使得高效率的描述性语言和强大的仿真综合工具得以运用，设计人员则可以将注意力集中于系统、算法和电路结构上，极大地提高了设计输入和验证的效率。作为最广泛采用的HDL，VerilogHDL在硬件描述方面的效率高、灵活性强。图1.5-1中的(a)和(b)分别是4位和32位总线与逻辑的原理图设计和VerilogHDL描述方式的对比。本课件是可编辑的正常PPT课件图1.5-2中的(a)、(b)分别是长度为4位和8位移位寄存器的原理图设计与VerilogHDL描述方式的对比。本课件是可编辑的正常PPT课件图1.5-1和图1.5-2分别是典型的组合逻辑电路和时序逻辑电路。从这两个例子可以看到，VerilogHDL在设计方面有两个突出的能力。第一，可以用较少的语句描述较为复杂的电路。图1.5-1和图1.5-2中采用一条有效语句即实现了电路设计。第二，VerilogHDL具有极为灵活的可扩展特性。图1.5-1中，VerilogHDL仅需修改总线的位宽，即可将4位总线与逻辑转变为32位总线与逻辑。图1.5-2中仅需改变移位信号的长度，就可以实现不同长度移位寄存器的设计。通过这两个例子可以看到，VerilogHDL极大地提高了原理图设计的效率，同时提高了设计的灵活性和电路设计管理的有效性。在功能设计方面，VerilogHDL采用描述性建模方式，通过行为描述、数据流描述和结构性描述等方式，对电路、输入信号激励和响应监控方式进行设计；同时，提供编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。本课件是可编辑的正常PPT课件VerilogHDL定义了完善的语法规则，对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。它从C语言中继承了多种操作符和结构，具有较强的扩展建模能力。VerilogHDL的核心子集相对紧凑，可以满足大多数建模应用的要求，容易学习和掌握。当然，应用于数字集成电路设计得较为完整的VerilogHDL还有很多的语法规则和使用方式，需要进一步学习。本书主要针对VerilogHDL基本语法规则和数字集成电路设计进行介绍，更为专业和细致的内容需要参照相关的国际标准和EDA工具的功能说明，以应对越来越复杂的数字集成电路芯片设计和验证工作。本课件是可编辑的正常PPT课件1.6VerilogHDL在数字集成电路设计流程中的作用本课件是可编辑的正常PPT课件图1.6-1为一般的数字集成电路设计流程。作为一种标准化的硬件电路设计语言，VerilogHDL在设计和验证中起着重要作用。数字集成电路和FPGA设计过程主要分为以下四个阶段：第一阶段是系统设计阶段，包括总体方案和系统建模两个主要过程。总体方案是对系统进行结构规划、功能分割并进行互连模型系统级规划。系统建模是对总体方案的细化，将总体方案划分为具体的功能模块，并对互连总线等进行较为详细的设计。第二阶段是数字电路设计和代码编写阶段，即RTL代码编写阶段。在这个阶段，设计人员将系统设计的功能模块进行具体的电路设计，并形成可以测试的功能代码。第三阶段是电路验证阶段，主要包括对硬件描述语言程序代码的功能验证和经过EDA综合工具后的时序验证两个部分。VerilogHDL程序可以对代码的功能进行基本逻辑的初步验证。VerilogHDL也可以对程序综合后生成的电路进行时序验证，电路的网表也可以用VerilogHDL程序形式表示。第四阶段是集成电路的后端设计阶段，主要通过EDA工具进行物理综合、布局布线、物理验证、原型建立和测试，并最终交付工艺实现。在集成电路的设计流程中，以VerilogHDL为代表的HDL发挥了很大作用。在第一、二阶段的电路设计过程中，VerilogHDL主要进行系统级和电路级的设计和验证；在第三、四阶段，对于不同阶段的综合网表和物理电路，VerilogHDL也被用于电路的验证工作。因此，VerilogHDL可用于复杂数字逻辑电路和系统的总体仿真、子系统仿真和具体电路综合等各个设计阶段，在设计流程中具有重要的作用。2.1VerilogHDL的语言要素

2.2模块

2.3端口本课件是可编辑的正常PPT课件2.1VerilogHDL的语言要素本课件是可编辑的正常PPT课件2.1.1符号1．空白符空白符包括空格符(\b)、制表符(\t)、换行符和换页符。空白符使代码看起来结构清晰，阅读起来更方便。在编译和综合时，空白符被忽略。VerilogHDL程序可以不分行，也可以加入空白符采用多行编写。2.注释符VerilogHDL中允许插入注释，表明程序代码功能、修改、版本等信息，以增强程序的可读性和帮助管理文档。VerilogHDL中有以下两种形式的注释：(1)单行注释。单行注释以“//”开始，VerilogHDL忽略从此处到行尾的内容。(2)多行注释。多行注释以“/*”开始，到“*/”结束，VerilogHDL忽略其中的注释内容。需要注意的是，多行注释不允许嵌套，但是单行注释可以嵌套在多行注释中。本课件是可编辑的正常PPT课件3.标识符和转义标识符在VerilogHDL中，标识符(Identifier)被用来命名信号、模块、参数等，它可以是任意一组字母、数字、$符号和_(下画线)符号的组合。应该注意的是，标识符的字母区分大小写，并且第一个字符必须是字母或者下画线。为了使用标识符集合以外的字符或标号，VerilogHDL规定了转义标识符(EscapedIdentifier)。采用转义标识符，可以在一条标识符中包含任何可打印的字符。转义标识符以“\”(反斜线)符号开头，以空白结尾(空白可以是一个空格、一个制表字符或换行符)。4.关键字VerilogHDL内部已经使用的词称为关键字或保留字，它是VerilogHDL内部的专用词，是事先定义好的确认符，用来组织语言结构。用户不能随便使用这些关键字。需注意的是，所有关键字都是小写的。例如，ALWAYS不是关键字，它只是标识符，与always(关键字)是不同的。表2.1-1所示为VerilogHDL中的常用关键字。本课件是可编辑的正常PPT课件5.数值VerilogHDL中有四种基本的逻辑数值状态[0、1、x(X)、z(Z)]，用数字或字符表达数字电路中传送的逻辑状态和存储信息。其中，x和z都不区分大小写，也就是说，0x1z与0X1Z是等同的。VerilogHDL中的四值电平逻辑如表2.1-2所示。本课件是可编辑的正常PPT课件在数值中，下画线符号“_”除了不能放于数值的首位外，可以随意用在整型数与实型数中，它们对数值大小没有任何改变，只是为了提高可读性。例如，16'b1011000110001100和16'b1011_0001_1000_1100的数值大小是相同的，只是后一种表达方式的可读性更强。1)整数及其表示VerilogHDL中的整数可以是二进制(b或B)、八进制(o或O)、十进制(d或D)、十六进制(h或H)，其基数符号与可以采用的数字字符集如表2.1-3所示。整数的表示形式如下：+/-<size>'<base_format><number>其中：“+/-”是正数和负数标识；size指换算后的二进制数的宽度；“ ' ”为基数格式表示的固有字符，该字符不能缺省，否则为非法表示形式；base_format是其基数符号；number是可以使用的数字字符集，形式上是相应进制格式下的一串数值。本课件是可编辑的正常PPT课件使用整数时需要注意的是：(1)较长的数之间可以用下画线来分开，目的是提高可读性，下画线本身没有意义，如16'b1110_1011_0011_1010，但下画线符号不能用作首字符。(2)当数字没有说明位宽时，默认为32位。(3) x或z在二进制中代表1位x或z，在八进制中代表3位x或z，在十六进制中代表4位x或z，其代表的宽度取决于所用的进制。(4)若没有定义一个整数的位宽，其宽度为相应值中定义的位数。(5)若定义的位宽比实际数的位数大，则在左边用0补齐。但如果数的最左边一位为x或z，就相应地用x或z在左边补齐。如果定义的位宽比实际数的位宽小，那么最左边的位被截断。(6) “?”是高阻态z的另一种表示符号。在数字的表示中，字符“?”和Z或z是等价的，可互相替代。(7)整数可以带正、负号，并且正、负号应写在最左边。负数表示为二进制的补码形式。本课件是可编辑的正常PPT课件(8)如果位宽和进制都缺省，则代表十进制数。例如：-15代表十进制数 -15。(9)数字中不能有空格，但在表示进制的字母两侧可以有空格。2)实数及其表示实数有以下两种表示方法：(1)十进制表示法。采用十进制格式，小数点两边必须都有数字，否则为非法的表示形式。(2)科学记数法。VerilogHDL还定义了实数转换为整数的方法，实数通过四舍五入转换为最相近的整数。3)字符串及其表示字符串是指用双引号括起来的字符序列，它必须包含在同一行中，不能分行书写。若字符串用作VerilogHDL表达式或赋值语句中的操作数，则字符串被看作8位的ASCII值序列，即一个字符对应8位的ASCII值。本课件是可编辑的正常PPT课件2.1.2数据类型在VerilogHDL中，常见的数据类型有wire、tri、tri0、tri1、wand、triand、trireg、trior、wor、supply0、supply1、reg、integer、time、real、parameter。按照抽象程度，VerilogHDL的数据类型又可划分为两大类：物理数据类型(主要包括连线型及寄存器型)和抽象数据类型(主要包括整型、时间型、实型及参数型)。物理数据类型的抽象程度比较低，与实际硬件电路的映射关系比较明显；抽象数据类型则是进行辅助设计和验证的数据类型。1.物理数据类型VerilogHDL中最主要的物理数据类型是连线型、寄存器型和存储器型，并使用四种逻辑电平和八种信号强度对实际的硬件电路建模。四值逻辑电平是对信号的抽象表示(见表2.1-2)。信号强度表示数字电路中不同强度的驱动源，用来解决不同驱动强度下的赋值冲突；对逻辑0和1可以用表2.1-4中列出的信号强度值表示，驱动强度从supply到highz依次递减，例如(supply0，strong1)表示逻辑0的驱动程度是supply，逻辑1的驱动程度是strong。本课件是可编辑的正常PPT课件1)连线型连线型变量包含多种类型，表2.1-5给出了各种连线型数据类型及其功能说明。连线表示逻辑单元的物理连接，可以对应为电路中的物理信号连线，这种变量类型不能保持电荷(除trireg之外)。连线型变量必须有驱动源，一种是连接到一个门或者模块的输出端，另一种是用assign连续赋值语句对它进行赋值。若没有驱动源，将保持高阻态z。本课件是可编辑的正常PPT课件(1) wire和tri。在众多的连线型数据类型中，最常见的是wire(连线)和tri(三态线)两种，它们的语法和语义一致。不同之处在于：wire型变量通常用来表示单个门驱动或连续赋值语句驱动的连线型数据，tri型变量则用来表示多驱动器驱动的连线型数据，主要用于定义三态的线网。wire/tri的真值表如表2.1-6所示。上述真值表可以理解为，同时有两个驱动强度相同的驱动源来驱动wire或tri变量时的输出结果。本课件是可编辑的正常PPT课件(2) wor和trior。当有多个驱动源驱动wor和trior型数据时，将产生线或结构，其真值表如表2.1-7所示。(3) wand和triand。当有多个驱动源驱动wand和triand型数据时，将产生线与结构，其真值表如表2.1-8所示。(4) tri0和tri1。tri0(tri1)的特征是：若无驱动源驱动，则其值为0(tri1的值为1)。在有多个驱动源的情况下，tri0/tri1的真值表如表2.1-9所示。本课件是可编辑的正常PPT课件(5) supply0和supply1。supply0用于对“地”建模，即低电平0；supply1用于对电源建模，即高电平1。例如：supply0表示Gnd，supply1表示Vcc。(6) trireg。trireg能存储数值(类似于寄存器型数据类型)，并且用于电容节点的建模。当三态寄存器(trireg)的所有驱动源都处于高阻态z时，三态寄存器连线将保存作用在线网上的最后一个逻辑值。三态寄存器连线的缺省初始值为x。trireg连线型数据用于模拟电荷存储。电荷量强度可由small、medium、large三个关键字来控制。默认的电荷强度为medium。一个trireg连线型数据能够模拟一个电荷存储节点，该节点的电荷量将随时间而逐渐衰减。对于一个trireg连线型数据，电荷衰减时间就是定义的仿真延迟时间。本课件是可编辑的正常PPT课件2)寄存器型reg型变量是最常见也是最重要的寄存器型数据类型，它是数据存储单元的抽象类型，其对应的硬件电路元件具有状态保持作用，能够存储数据，如触发器、锁存器等。reg型变量常用于行为级描述中，由过程赋值语句对其进行赋值。reg型数据与wire型数据的区别在于，reg型数据保持最后一次的赋值，而wire型数据需要有持续的驱动。一般情况下，reg型数据的默认初始值为不定值x，缺省时的位宽为1位。reg型变量一般为无符号数，若将一个负数赋给reg型变量，则自动转换成其二进制补码形式。在过程块内被赋值的每一个信号都必须定义成reg型，并且只能在always或initial过程块中赋值，大多数reg型信号常常是寄存器或触发器的输出。2.连线型和寄存器型数据类型的声明1)连线型数据类型的声明缺省的连线型数据的默认类型为1位(标量)wire类型。VerilogHDL中禁止对已经声明过的网络、变量或参数再次声明。连线型数据类型声明的一般语法格式如下：

<net_declaration><drive_strength><range><delay>[list_of_variables];其中，drive_strength、range、delay为可选项，而list_of_variables为必选项。

说明：(1) net_declaration：连线型数据类型，可以是wire、tri、tri0、tri1、wand、triand、trior、wor、trireg、supply1、supply0中的任意一种。(2) drive_strength：连线型变量的驱动强度。对于trireg类型，声明的是charge_strength(电荷强度)。(3) range：指定数据为标量或矢量。若该项默认，则表示数据类型为1位的标量；若超过1位，则为矢量形式。

(4) delay：指定仿真延迟时间。

(5) list_of_variables：变量名称，一次可定义多个名称，之间用逗号分开。除了逻辑值外，VerilogHDL还用强度值来解决数字电路中不同强度的驱动源之间的赋值冲突，强度等级说明见表2.2-1。如果两个具有不同强度的信号驱动同一个线网，则竞争结果为高强度信号的值；如果两个强度相同的信号之间发生竞争，则结果为不确定值。2)寄存器型数据类型的声明reg型数据类型声明的一般语法格式如下：reg<range><list_of_register_variables>;其中，range为可选项，它指定了reg型变量的位宽，缺省时为1位。

说明：list_of_register_variables：变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开。3)物理数据类型声明示例前面已经了解了连线型数据和寄存器型数据这两种物理数据类型的声明格式，下面举例来说明这两种声明格式的用法。3.存储器型存储器型(memory)本质上还是寄存器型变量阵列，只是VerilogHDL中没有多维数组，所以就用reg型变量建立寄存器组(数组)来实现存储器的功能，也就是扩展的reg型数据地址范围。存储器型变量可以描述RAM型、ROM型存储器以及reg文件。数组中的每一个单元通过一个数组索引进行寻址。

存储器型变量的一般声明格式如下：reg<range1><name_of_register><range2>;其中，range1和range2都是可选项，缺省时都为1。

说明：(1) range1：存储器中寄存器的位宽，格式为[msb:lsb]。(2) range2：寄存器的个数，格式为[msb:lsb]，即有msb-lsb+1个。(3) name_of_register：变量名称列表，一次可以定义多个名称，之间用逗号分开。4.抽象数据类型除了物理数据类型外，VerilogHDL还提供了整型(integer)、时间型(time)、实型(real)及参数型(parameter)等几种抽象数据类型。它们只是纯数学的抽象描述，不能与实际的硬件电路相映射。1)整型整型数据常用于对循环控制变量的说明，在算术运算中被视为二进制补码形式的有符号数。除了寄存器型数据被当作无符号数来处理之外，整型数据与32位寄存器型数据在实际意义上相同。整型数据的声明格式如下：integer<list_of_register_variables>;2)时间型时间型数据与整型数据类似，只是它是64位的无符号数。时间型数据主要用于处理模拟时间的存储与计算，常与系统函数$time一起使用。时间型数据的声明格式如下：time<list_of_register_variables>;3)实型VerilogHDL支持实型常量与变量。实型数据在机器码表示法中是浮点型数值，可用于对延迟时间的计算。实型数据的声明格式如下：real<list_of_variables>;4)参数型在VerilogHDL中，参数是一个非常重要的数据类型，属于常量，在仿真开始之前就被赋值，在仿真过程中保持不变。采用参数定义方法，可以提高程序的可读性和可维护性。参数常用来定义延迟时间和变量的位宽。参数型数据的定义格式如下：parameter参数名1 = 表达式1，参数名2 = 表达式2，…，参数名n = 表达式n;其中，表达式既可以是常数，也可以是常量表达式，即表达式中是常数或之前定义过的参数。参数定义完后，程序中出现的所有的参数名都将被替换为相对应的表达式。对于同一个模块来说，参数一旦被定义，就不能够通过其他语句对它重新赋值。下例是错误的，因为a被重复赋值。2.1.3运算符VerilogHDL的运算符主要针对数字逻辑电路制定，覆盖范围广泛。VerilogHDL中的运算符及其运算优先级如表2.1-10所示。不同的综合开发工具在执行这些优先级时可能有微小的差别，因此在书写程序时建议用括号来控制运算的优先级，以有效避免错误，同时增加程序的可读性。1.算术运算符VerilogHDL中常用的算术运算符有五种，分别是加法( + )、减法( - )、乘法( * )、除法( / )和取模( % )。这五种运算符都属于双目运算符。符号“+”“-”“*”“/”分别表示常用的加、减、乘、除四则运算；% 是取模运算，如“6%3”的值为0，“7%4”的值为3。在算术运算符的使用中，要注意如下问题：(1)算术运算结果的位宽。算术表达式结果的长度由最长的操作数决定。在赋值语句下，算术运算结果的长度由等号操作符左端的目标长度决定。(2)有符号数和无符号数的使用。在设计中要注意到哪些操作数应该是无符号数，哪些应该是有符号数。无符号数值一般存储在线网、reg(寄存器)型变量及普通(没有符号标记s)的基数格式表示的整型数中。有符号数值一般存储在整型变量、十进制形式的整数、有符号的reg(寄存器)型变量及有符号的线网中。2.关系运算符关系运算符也是双目运算符，是对两个操作数的大小进行比较。关系运算符有大于(>)、小于(<)、大于等于(>=)和小于等于(<=)几种。在进行关系比较时，如果成立则结果为1'b1，否则返回的结果为0'b0；若不确定则返回结果为不定值(x)。例如：10>15的结果为假(0)，20 > 18的结果为真(1)，而4'b1101 < 4'hx的结果为不定值(x)。需注意的是，若操作数长度不同，则长度短的操作数应在左边用0补齐。例如：'b1001>='b101100等价于 'b001001>='b101101，结果为假(0)。3.相等关系运算符相等关系运算符是对两个操作数进行比较，比较的结果有三种，即真(1)、假(0)和不定值(x)。VerilogHDL中有四种相等关系运算符：等于(==)、不等于(!=)、全等(===)、非全等(!==)。这四种运算符都是双目运算符，要求有两个操作数，并且这四种相等运算符的优先级别是相同的。“==”和“!=”称为逻辑等式运算符，其结果由两个操作数的值决定，由于操作数中某些位可能是不定值x和高阻态值z，所以结果可能为不定值x。“===”和“!==”运算符则不同，它是对操作数进行按位比较，两个操作数必须完全一致，其结果才是1，否则为0。若两个操作数对应位同时出现不定值x和高阻值z，则可认为是相同的。“===”和“!==”运算符常用于case表达式的判别，所以又称为“case等式运算符”。表2.1-11列出了“==”和“===”的真值表，可帮助读者理解两者的区别。4.逻辑运算符逻辑运算符有三种，分别是逻辑与(&&)、逻辑或(||)和逻辑非(!)。其中逻辑与、逻辑或是双目运算符，逻辑非为单目运算符。逻辑运算符的操作数只能是逻辑0或者逻辑1。三种逻辑运算符的真值表如表2.1-12所示。在逻辑运算符的操作过程中，如果操作数仅有1位，那么1就代表逻辑真，0就代表逻辑假；如果操作数是由多位组成的，则当操作数每一位都是0时才是逻辑0值，只要有某一位为1，这个操作数就是逻辑1值。例如：寄存器变量a、b的初值分别为4'b1110和4'b0000，则 !a = 0，!b = 1，a&&b = 0，a || b = 1。需注意的是，若操作数中存在不定态x，并且其他位都是0，则逻辑运算的结果也是不定态，例如：a的初值为4'b1100，b的初值为4'b00x0，则 !a = 0，!b = x，a&&b = x，a || b = 1。5.按位运算符数字逻辑电路中，信号与信号之间的运算称为位运算。VerilogHDL提供了五种类型的位运算符：按位取反(~)、按位与(&)、按位或(|)、按位异或(^)、按位同或(^~)。按位运算符对其自变量的每一位进行操作。例如：表达式A|B的结果是A和B的对应位相或的值。表2.1-13～表2.1-15给出了按位与、按位或和按位异或运算符的真值表。需要注意的是，两个不同长度的数进行位运算时，会自动地将两个操作数按右端对齐，位数少的操作数会在高位用0补齐；然后逐位进行运算，运算结果的位宽与操作数中的位宽较大者相同。6.归约运算符归约运算符按位进行逻辑运算，属于单目运算符。由于这一类运算符运算的结果是产生1位逻辑值，因而被形象地称为缩位运算符。VerilogHDL中，缩位运算符包括 &(与)、|(或)、^(异或)以及相应的非操作 ~&、~|、~^、^~。归约运算符的操作数只有一个。归约运算符的运算过程是：设a是一个4位的寄存器型变量，它的4位分别是a[0]、a[1]、a[2] 和a[3]。当对a进行缩位运算时，先对a[0] 和a[1] 进行缩位运算，产生1位的结果，再将这个结果与a[2] 进行缩位运算，接着是a[3]，最后产生1位的操作结果。7.移位运算符移位运算符有两种：左移位运算符(<<)和右移位运算符(>>)。移位运算过程是将左边(右边)的操作数向左(右)移，所移动的位数由右边的操作数来决定，然后用0来填补移出的空位。

8.条件运算符条件运算符(? :)是VerilogHDL里唯一的三目运算符，它根据条件表达式的值来选择应执行的表达式，其表达形式如下：<条件表达式>?<表达式1>:<表达式2>其中，条件表达式的运算结果有真(1)、假(0)和不定态(x)三种。当条件表达式的结果为真时，执行表达式1；当条件表达式的结果为假时，执行表达式2。如果条件表达式的运算结果为不定态x，则模拟器将按位对表达式1的值与表达式2的值进行比较，位与位的比较按表2.1-16的规则产生每个结果位，从而构成条件表达式的结果。9.连接和复制运算符VerilogHDL中还有两个特殊的运算符：连接运算符({})和复制运算符({{}})。连接运算符是把位于大括号({})中的两个或两个以上信号或数值用逗号( , )分隔的小表达式按位连接在一起，最后用大括号括起来表示一个整体信号或数值，形成一个大的表达式。其格式如下：{信号1的某几位，信号2的某几位，…，信号n的某几位}复制运算符({{}})将一个表达式放入双重花括号中，复制因子放在第一层括号中。它为复制一个常量或变量提供了一种简便的方法。2.2模

块本课件是可编辑的正常PPT课件模块(module)是VerilogHDL的基本单元，它代表一个基本的功能块，用于描述某个设计的功能或结构，以及与其他模块通信的外部端口。一个电路的设计不是一个模块的设计，而是多个模块的组合，因此一个模块的设计只是一个系统设计中某个层次的设计。图2.2-1是一个基本的模块结构组成。从图2.2-1中可以看出，一个模块主要包括模块的开始与结束、模块端口定义、模块数据类型说明和模块逻辑功能描述几个基本部分。(1)模块的开始与结束：模块在语言形式上是以关键词module开始、以关键词endmodule结束的一段程序，其中模块开始语句必须以分号结束。模块的开始部分包括模块名(name)和端口列表(port_list)，模块名是模块唯一的标识符，而端口列表是由模块各个输入、输出和双向端口变量组成的一张列表，这些端口用来与其他模块进行连接(不妨理解为集成电路的引脚)。(2)模块端口定义：定义端口列表里的变量哪些是输入(input)、输出(output)和双向端口(inout)以及位宽。(3)模块数据类型说明：包括wire、reg、memory和parameter等数据类型，以说明模块中所用到的内部信号、调用模块等的声明语句和功能定义语句。一般来说，module的input缺省定义为wire类型；output信号可以是wire类型，也可以是reg类型(条件是在always或initial语句块中被赋值)；inout一般为tri(三态线)类型，表示有多个驱动源。(4)模块逻辑功能描述：产生各种逻辑(主要是组合逻辑和时序逻辑)，主要包括initial语句、always语句、其他子模块实例化语句、门实例化语句、用户自定义原语(UDP)实例化语句、连续赋值语句(assign)、函数(function)和任务(task)。由上述模块的结构组成可以看出，模块在概念上可等同于一个器件，比如通用器件(与门、三态门等)或通用宏单元(计数器、ALU、CPU)等。一个模块可在另一个模块中被调用，一个模块代表了一个特定功能块。一个电路设计可由多个模块组合而成，因此一个模块的设计只是一个系统设计中某个层次的设计。模块设计可采用多种建模方式，一般包括行为描述方式、结构描述方式以及混合描述方式(混合使用结构描述和行为描述)。通过下例的VerilogHDL设计的简单模块，可结合模块结构体会VerilogHDL代码和电路图的含义。2.3端

口本课件是可编辑的正常PPT课件端口是模块与外界或其他模块沟通的信号线。模块的端口可以是输入端口(input)、输出端口(output)或输入/输出(双向)端口(inout)。缺省状态下，端口类型都默认为wire类型。需要注意的是，在某一端口的类型声明中，类型声明的长度必须和端口声明的长度一致。一个模块往往具有多个端口，它们是本模块和其他模块进行联系的标志。在模块定义格式中，“模块端口列表”列出了模块具有的外部可见端口，该“模块端口列表”内的每一个端口项都代表着一个模块端口。VerilogHDL中有如下三种端口声明方式。输入端口：input[信号位宽-1:0]端口名1；输出端口：output[信号位宽-1:0]端口名1；输入/输出端口：inout[信号位宽-1:0]端口名1；端口声明语句的作用对象必须是与模块端口相连的模块内部变量，而不能是端口名(端口名和内部变量标识符同名的情况除外)。模块内部对端口进行的输入/输出操作是通过端口表达式中出现的内部变量进行的(这些变量与对应的端口相连)，所以在模块内部必须对这些内部变量的输入/输出特性进行说明。当模块被引用时，在引用的模块中，有些信号需要输入到被引用的模块中，有些信号需要从被引用的模块中取出。在引用模块时其端口可以用如下两种方法连接。(1)在引用时，严格按照模块定义的端口顺序来连接，不用标明源模块定义时规定的端口名。其格式如下：模块名(连接端口1信号名，连接端口2信号名，…)；(2)在引用时用“．”标明源模块定义时规定的端口名。其格式如下：模块名(.端口1名(连接信号1名)，.端口2名(连接信号2名)，…)；这样表示的好处在于可以用端口名与被引用模块的端口对应，不必严格按端口顺序对应，提高了程序的可读性和可移植性。3.1数据流建模

3.2行为级建模

3.3结构化建模3.1数据流建模在数字电路中，输入信号经过组合逻辑电路传送到输出端类似于数据流动，而不会在其中存储。通过连续赋值语句可以对这种特性进行建模，这种建模方式通常称为数据流建模。VerilogHDL中的数据流建模方式是比较简单的行为建模，它只有一种描述方式，即通过连续赋值语句进行逻辑描述。其最基本的语句是由关键词assign引导的。对于连续赋值语句，只要输入端操作数的值发生变化，该语句就重新计算并刷新赋值结果。通常可以使用连续赋值语句来描述组合逻辑电路，而不需要用门电路和互连线。连续赋值的目标类型主要是标量线网和向量线网，标量线网如“wirea,b;”，向量线网如“wire[3:0]a,b;”。连续赋值语句只能用来对连线型变量进行驱动，而不能对寄存器型变量进行赋值，它可以采取显式连续赋值语句和隐式连续赋值语句两种赋值方式。1.显式连续赋值语句显式连续赋值语句的语法格式如下：<net_declaration><range><name>;assign#<delay><name>=assignmentexpression;这种格式的连续赋值语句包含两条语句：第一条语句是对连线型变量进行类型说明的语句；第二条语句是对这个连线型变量进行连续赋值的赋值语句。赋值语句是由关键词assign引导的，它能够用来驱动连线型变量，而且只能对连线型变量进行赋值，主要用于对wire型变量进行赋值。2.隐式连续赋值语句隐式连续赋值语句的语法格式如下：<net_declaration><drive_strength><range>#<delay><name>=assignmentexpression;这种格式的连续赋值语句把连线型变量的说明语句以及对该连线型变量进行连续赋值的语句结合到同一条语句内。利用它可以在对连线型变量进行类型说明的同时实现连续赋值。上述两种格式中：·“net_declaration(连线型变量类型)”可以是除了trireg类型外的任何一种连线型数据类型。·“range(变量位宽)”指明了变量数据类型的宽度，格式为[msb:lab]，缺省时为1位。·“drive_strength(赋值驱动强度)”是可选的，它只能在“隐式连续赋值语句”格式中指定。它用来对连线型变量受到的驱动强度进行指定。它是由“对1驱动强度”和“对0驱动强度”两项组成的。驱动强度的概念在上一章的数据类型中已经说明，比如语句“wire(weak0，strong1)out=in1&in2；”内的“(weak0，strong1)”就表示该语句指定的连续赋值对连线型变量“out”的驱动强度是：赋“0”值时的驱动强度为“弱(weak)”，而赋“1”值时的驱动强度为“强(strong)”。如果在格式中缺省了“赋值驱动强度”这一项，则驱动强度默认为(strong1，strong0)。·“delay(延时量)”项也是可选的，它指定了赋值表达式内信号发生变化时刻到连线型变量取值被更新时刻之间的延迟时间量。其语法格式如下：#(delay1，delay2，delay3)其中，delay1、delay2、delay3都是一个数值，“delay1”指明了连线型变量转移到“1”状态时的延时值(称为上升延时)；“delay2”指明了连线型变量转移到“0”状态时的延时值(称为下降延时)；“delay3”指明了连线型变量转移到“高阻Z”状态时的延时值(称为关闭延时)。如果没有定义delay，则缺省值为0。3.连续赋值语句使用中的注意事项(1)赋值目标只能是线网类型(wire)。(2)在连续赋值中，只要赋值语句右边表达式的任何一个变量有变化，表达式立即被计算，计算的结果立即赋给左边的信号(若没有定义延时量)。(3)连续赋值语句不能出现在过程块中。(4)多个连续赋值语句之间是并行关系，因此与位置顺序无关。(5)连续赋值语句中的延时具有硬件电路中惯性延时的特性，任何小于其延时量的信号变化脉冲都将被滤除掉，不会出现在输出端口。

3.2行

为

级

建

模VerilogHDL支持设计者从电路外部行为的角度对其进行描述，因此行为级建模是从一个层次很高的抽象角度来表示电路的。其目标不是对电路的具体硬件结构进行说明，它是为了综合以及仿真的目的而进行的。在这个层次上，设计数字电路更类似于使用一些高级语言(如C语言)进行编程，而且VerilogHDL行为级建模的语法结构与C语言也非常相似。VerilogHDL提供了许多行为级建模语法结构，为设计者的使用提供了很大的灵活性。行为描述常常用于复杂数字逻辑系统的顶层设计中，也就是通过行为级建模把一个复杂的系统分解成可操作的若干个模块，每个模块之间的逻辑关系通过行为模块的仿真加以验证。这样就能把一个大的系统合理地分解为若干个较小的子系统，然后再将每个子系统用可综合风格的VerilogHDL模块(门级结构或RTL级、算法级、系统级的模块)加以描述。同时，行为级建模也可以用来生成仿真测试信号，对已设计的模块进行检测。本节将详细介绍行为级建模结构以及各种高级语句的语法格式和用法。图3.2-1给出了VerilogHDL行为描述中模块的构成框架。3.2.1过程语句

VerilogHDL中的过程块是由过程语句组成的。过程语句有两种，即initial过程语句和always过程语句。1．initial过程语句initial过程语句的语法格式是：

initial过程语句在进行仿真时从模拟0时刻开始执行，它在仿真过程中只执行一次，在执行完一次后该initial过程语句就被挂起，不再执行。如果一个模块中存在多个initial过程语句，则每个initial过程语句都是同时从0时刻开始并行执行的。initial过程语句内的多条行为语句可以是顺序执行的，也可以是并行执行的。initial过程语句通常用于仿真模块中对激励向量的描述，或用于给寄存器变量赋初值。2．always过程语句从语法描述角度而言，相对于initial过程语句，always过程语句的触发状态是一直存在的，只要满足always后面的敏感事件列表，就执行语句块。其语法格式如下：always@(<敏感事件列表>)

语句块;其中，敏感事件列表就是触发条件，只有当触发条件满足时，其后的语句块才能被执行。也就是说，只要该列表中变量的值发生改变，就会引发块内语句的执行。因此，敏感事件列表中应列出影响块内取值的所有信号。若有两个或两个以上信号，则它们之间可以用“or”连接，也可以用逗号“,”连接。敏感信号可以分为两种类型：一种为边沿敏感型，一种为电平敏感型。对于时序电路，事件通常是由时钟边沿触发的。为表达边沿这个概念，VerilogHDL提供了posedge和negedge两个关键字分别描述信号的上升沿和下降沿。3．过程语句使用中的注意事项过程语句具有很强的功能，VerilogHDL的大多数高级程序语句都是在过程中使用的。它既可以描述时序逻辑电路，也可以描述组合逻辑电路。采用过程语句进行程序设计时，VerilogHDL有一定的设计要求和规范。在信号的形式定义方面，无论是对时序逻辑电路还是对组合逻辑电路进行描述，VerilogHDL都要求在过程语句(initial和always)中被赋值信号必须定义为reg类型。敏感事件列表是VerilogHDL中的一个关键性设计，如何选取敏感事件作为过程的触发条件，在VerilogHDL程序中有一定的设计要求：(1)采用过程语句对组合电路进行描述时，需要把全部的输入信号列入敏感事件列表。(2)采用过程语句对时序电路进行描述时，需要把时间信号和部分输入信号列入敏感事件列表。应当注意的是，不同的敏感事件列表会产生不同的电路形式。

3.2.2语句块在VerilogHDL过程语句的使用中，当语句数超过一条时，需要采用语句块。语句块就是由块标识符begin-end或fork-join界定的一组行为描述语句。语句块就相当于给块中的一组行为描述语句进行打包，使之在形式上类似于一条语句。语句块的具体功能是通过语句块中所包含的描述语句的执行而得以实现的。当语句块中只包含一条语句时，可以直接写这条语句，此时块标识符可以缺省。语句块包括串行语句块(begin-end)和并行语句块(fork-join)两种。1.串行语句块串行语句块采用的是关键字“begin”和“end”，其中的语句按串行方式顺序执行，可以用于可综合电路程序和仿真测试程序。其语法格式是：其中，块名即该块的名字，当块内有变量时必须有块名，否则在编译时将出现语法错误。块内声明语句是可选的，可以是参数说明语句、integer型变量声明语句、reg型变量声明语句、time型变量声明语句和事件(event)说明语句。串行语句块的特点：(1)串行语句块中的每条语句依据块中的排列次序逐条执行。块中每条语句给出的延迟时间都是相对于前一条语句执行结束的相对时间。(2)串行语句块的起始执行时间就是串行语句块中第一条语句开始执行的时间；串行语句块的结束时间就是块中最后一条语句执行结束的时间。2.并行语句块并行语句块采用的是关键字“fork”和“join”，其中的语句按并行方式执行，只能用于仿真测试程序，不能用于可综合电路程序。其语法格式是：并行语句块的特点：(1)块内语句是同时执行的，即程序流程控制指令一进入到该并行语句块，块内语句就同时开始执行。(2)块内每条语句的延迟时间是相对于程序流程控制指令进入到块内的仿真时间。3.语句块的使用例3.2-6分别采用串行语句块和并行语句块产生图3.2-3所示的信号波形。(1)采用串行语句块的VerilogHDL程序代码如下：(2)采用并行语句块的VerilogHDL程序代码如下：从该例可以看到，采用串行语句块和并行语句块都可以产生相同的测试信号，具体采用哪种语句进行设计主要取决于设计者的习惯。需要说明的是，在对于电路的描述性设计中，部分综合工具不支持并行语句块，因此主要采用串行语句块进行设计。

表3.2-1对比了串行语句块和并行语句块，用以帮助读者理解二者的区别和联系。3.2.3过程赋值语句过程块中的赋值语句称为过程赋值语句。过程性赋值是在initial语句或always语句内的赋值，它只能对寄存器数据类型的变量赋值。对于多位宽的寄存器变量(矢量)，还可以只对其中的某一位或某几位进行赋值。对于存储器类型的，则只能通过选定的地址单元，对某个单元进行赋值。还可以将前述各类变量用连接符拼接起来，构成一个整体，作为过程赋值语句的左端。过程赋值语句有阻塞赋值语句和非阻塞赋值语句两种。1.阻塞赋值语句阻塞赋值语句的操作符号为“=”，其语法格式是：变量 = 表达式；例如：b=a;当一个语句块中有多条阻塞赋值语句时，如果前面的赋值语句没有完成，则后面的语句就不能被执行，仿佛被阻塞了一样，因此称为阻塞赋值方式。阻塞赋值语句的特点：(1)在串行语句块中，各条阻塞赋值语句将按照排列顺序依次执行；在并行语句块中的各条阻塞赋值语句则同时执行，没有先后之分。(2)执行阻塞赋值语句的顺序是，先计算等号右端表达式的值，然后立刻将计算的值赋给左边的变量，与仿真时间无关。2.非阻塞赋值语句非阻塞赋值语句的操作符号为“<=”，其语法格式是：变量<=表达式；例如：b <=a;如果在一个语句块中有多条非阻塞赋值语句，则后面语句的执行不会受到前面语句的限制，因此称为非阻塞赋值方式。非阻塞赋值语句的特点：(1)在串行语句块中，各条非阻塞赋值语句的执行没有先后之分，排在前面的语句不会影响到后面语句的执行，各条语句并行执行。(2)执行非阻塞赋值语句的顺序是，先计算右端表达式的值，然后待延迟时间的结束后，再将计算的值赋给左边的变量。阻塞赋值语句和非阻塞赋值语句可以用于数字逻辑电路设计和测试仿真程序中。在数字逻辑电路设计中，阻塞赋值语句和非阻塞赋值语句对于电路的描述差别很大，使