本科学生毕业论文

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粥戈宗澹台
5 years ago
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是我们的工程文件夹, 在这个工程文件夹下有三个文件夹分别为 :DOC 文件夹 RGMII_UDP_TEST 文件夹 SRC 文件夹 DOC 文件夹 : 用来放一些我们开发过程中用到的数据手册,

1 第二章 Verilog 语法基础 2.1 Verilog HDL 代码规范规范的代码风格, 可以让程序更容易阅读和维护文档管理合理的文档管理也是程序代码规范的重要组成部分以上图片中可以看出 RGMII_UDP_TEST 是我们的工程文件夹, 在这个工程文件夹下有三个文件夹分别为 :DOC 文件夹 RGMII_UDP_TEST 文件夹 SRC 文件夹 DOC 文件夹 : 用来放一些我们开发过程中用到的数据手册, 参考资料, 开发笔记等 RGMII_UDP_TEST 文件夹 : 放 ISE 工程文件,ISE 工程文件比较乱, 单独放在一个文件夹有利于管理起来更加方便 SRC 文件夹 : 放源代码打开 SRC 文件夹, 可以看到里面还有几个文件夹, 这些文件夹是用来管理源程序的, 读者可以增加或者减少相关文件夹 IPCORE 文件夹 : 保存 ISE 自带的 IPCORE 第 65 页共 262 页

2 RGMII_CHIPSCOPE 文件夹 :chipscope IP RGMII_DRIVER 文件夹 : 接口驱动程序源码 RGMII_UDP_TEST 文件夹 : 本工程程序项目构架设计 DDR3 内存视频输入 PAL 格式 FPGA 视频输出项目的构架用于团队的沟通, 以及项目设计的全局把控接口时序设计规范模块和模块之间的通过模块的接口实现关联, 因此规范的时序设计, 对于程序设计的过程, 以及程序的维护, 团队之间的沟通都是非常必要的命名规则 1 顶层文件对象 + 功能 +top 比如 :video_oneline_top 2 逻辑控制文件介于顶层和驱动层文件之间对象 +ctr 第 66 页共 262 页

3 比如 :ddr_ctr.v 3 驱动程序命名对象 + 功能 +dri 比如 :lcd_dri.v uart_rxd_dri.v 4 参数文件命名对象 +para 比如 :lcd_para.v 5 模块接口命名 : 文件名 +u 比如 lcd_dir lcd_dir_u(...) 6 模块接口命名 : 特征名 + 文件名 +u 比如 mcb_read c3_mcb_read_u 7 程序注释说明 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: milinker corperation // Engineer:jinry tang // WEB: // BBS: // Create Date: 07:28:50 07/31/2015 // Design Name: FPGA STREAM // Module Name: FPGA_USB // Project Name: FPGA STREAM // Target Devices: XC6SLX16-FTG256/XC6SLX25-FTG256 Mis603 // Tool versions: ISE14.7 // Description: CY7C68013A SLAVE FIFO comunication with fpga // Revision: V1.0 // Additional Comments: //1) _i input //2) _o output //3) _n activ loe //4) _dg debug signal //5) _r delay or register //6) _s state mechine ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 8 端口注释 input Video_vs_i,// 输入场同步入 9 信号命名命名总体规则 : 对象 + 功能 (+ 极性 )+ 特性第 67 页共 262 页

4 10 时钟信号对象 + 功能 + 特性比如 :phy_txclk_i sys_50mhz_i 11 复位信号对象 + 功能 + 极性 + 特性比如 :phy_rst_n_i sys_rst_n_i 12 延迟信号对象 + 功能 + 特性 1+ 特征 2 比如 :fram_sync_i_r0 fram_sync_i_r1 13 特定功能计数器对象 +cnt 比如 :line_cnt div_cnt0 div_cnt1 功能 +cnt 比如 :wr_cnt rd_cnt 对象 + 功能 +cnt 比如 :fifo_wr_cnt mcb_wr_cnt mem_wr_cnt 对象 + 对象 +cnt 比如 :video_line_cnt video_fram_cnt 14 一般计数器 cnt+ 序号用于不容易混淆的计数比如 :cnt0 cnt1 cnt2 15 时序同步信号对象 + 功能 + 特性比如 :line_sync_i fram_sysc_i 16 使能信号功能 +en 比如 :wr_en rd_en 对象 + 功能 +en 比如 :fifo_wr_en mcb_wr_en 第 68 页共 262 页

5 2.2 Verilog HDL 硬件语言基础技术背景大规模集成电路设计制造技术和数字信号处理技术, 近三十年来, 各自得到了迅速的发展这两个表面上看来没有什么关系的技术领域实质上是紧密相关的因为数字信号处理系统往往要进行一些复杂的数学运算和数据的处理, 并且又有实时响应的要求, 它们通常是由高速专用数字逻辑系统或专用数字信号处理器所构成, 电路是相当复杂的因此只有在高速大规模集成电路设计制造技术进步的基础上, 才有可能实现真正有意义的实时数字信号处理系统对实时数字信号处理系统的要求不断提高, 也推动了高速大规模集成电路设计制造技术的进步现代专用集成电路的设计是借助于电子电路设计自动化 (EDA) 工具完成的学习和掌握硬件描述语言 (HDL) 是使用电子电路设计自动化 (EDA) 工具的基础学习 VHDL 还是 Verilog 笔者建议 Verilog, 虽然很多学校古董级的老师还在教 VHDL. 当然 VHDL 也是要了解的, 因为这门古老的语言的历史遗留问题, 现在还有很多 VHDL 的模块, 有的时候我们要拿来主义, 所以还有必要了解下的但是历史的车轮总是在前进, 优胜劣汰也许不久的将来 Verilog 也会被 C,C++ 这种高级语言代替为了更方面地切入主题, 笔者假设, 你已经学过单片机, 并且掌握 C 语言因为单片机, 和 C 语言, 可以说是当代大学生的一项基本能力有了这个基础, 再学习其他现代计算机编程, 算法, 才能达到事半功倍的效果如果你还不会单片机和 C 语言, 建议你首先学会单片机, 或者 C 语言当然, 这只是笔者的建议, 不会单片机, 或者 C 语言, 并不代表学不好 Verilog 语言学过单片机的都知道, 我们的程序代码是一条指令一条指令来执行的 CPU 首先通过总线, 读取一条指令, 然后解析这条指令, 再然后执行这条指令我们写的 C 代码总是一条一条地执行如果我们同时要处理 10 个子程序, 那么 CPU 必须一个个子程序来执行如果有些实时性较高的, 如扫描下矩阵键盘,VGA 刷个屏, 都需要中断来实现如果刷屏时间比较长, 就会影响到你按键的灵敏度另外比如, 我们的单片机在用串口接收数据, 并且也要发送数据, 同时我们的单片机要处理外部的 IO 信号, 如果我们的 IO 信号非常快, 并且有几百个信号, 可能同一个时刻触发, 很显然, 如果这些信号比较快, 那么我们的单片机, 就没法实现了这是笔者简单举了两种情况, 那么如果使用 FPGA 就可以很方便地解决以上问题由于 FPGA 的并行性, 不管是扫描键盘, 还是扫描 VGA, 都可以把它们做成独立的模块, 时间上没有冲突, 每个模块可以同时执行再比如用一个 FPGA, 就可以同时完成串口的收发, 以及 IO 的监控, 因为 FPGA 的程序实际上就是电路, 是瞬间就完成了, 我们只要用 Verilog 写出来相应功能的程序模块, 这些模块是同时运行的这样看来 FPGA 真是太强大了, 太完美了但不要高兴地太早, 由于 FPGA 可以在一个时钟内, 完成多条语句的赋值, 但是如果赋值必须有个前后顺序呢? 也就是需要一步步的完成, 怎么办? 如果说并行控制是 FPGA 的优点, 那么顺序控制就是他的不足之处世界上永远没有完美的东西, 我们在获得一种优势的时候, 往往也获得了一种劣势但是, 办法总比问题多第 69 页共 262 页

6 2.2.3 顺序控制的第一种办法状态机设计可以说, 我们用 Verilog 来写程序, 状态机无处不在顾名思义, 通过设计状态机, 我们可可以控制 Verilog 让他该快的时候快, 该慢的时候慢, 该做什么的时候就做什么这才是我们想要的状态机是很不错的东西, 初学者对他望而生畏, 而熟悉 Verilog 语言的人都对其会爱不释手顺序控制的第二种方法 FPGA 中运行 CPU FPGA 也可以运行 CPU? 是的, 没错,FPGA 也可以像单片机一样使用, 这样我们就可以用 C 代码来一条条指令来执行了, 这不是太强大了? 是的, 没错关键的问题是, 我们是可以把一些逻辑控制顺序复杂的事情用 C 代码来实现, 而实时处理的部分仍然用 Verilog 来实现并且那部分 Verilog 可以被 C 代码控制 Xilinx FPGA 目前支持的 CPU 有 Microblaze,ARM9,POWERPC,CortexA9 (zynq 就 Xilinx 比较新的一款片子, 完美的将 CortexA9 和 FPGA 整合到一起, 有兴趣的可以淘宝搜索 MiZ702) 其中 Microblaze 是一款软 CPU, 是软核 ARM9,CortexA9 和 POWERPC 是硬核这里有两个概念 : 1) 软核就是用代码就是能现的 CPU 核, 这种核配置灵活, 成本较低但是要占用 FPGA 宝贵的资源 2) 硬核就是一块电路, 做到 FPGA 内部, 方便使用, 性能更高比如 Xilinx 的 DDR 内存控制器, 就是一种硬核, 其运行速度非常高, 我们只要做些配置, 就可以方便使用两种核可谓各有所长 FPGA 还是 ASIC 根据具体看情况而定, 从我们上面的一些介绍, 笔者相信你已经有一定的判断能力了笔者的建议是, 低速场合, 实时性要求的低的地方用 ASIC, 有些功能用 ASIC 方便的用 ASIC, 成本低的用 ASIC 排除那些可以不用 FPGA 地方, 那么剩余的就要考虑是不是用 FPGA 来实现更加方便一般来说,FPGA 程序开发相对来说要难度大一些, 并且成本要高一些讲了这么多的背景知识, 我们来看一小段代码 : u32sum(a,b) { a=a+1; b=b+1; c=a+b; return c; } always@(posedgeclk) a = a + 1; b = b + 1; c = a + b; 第 70 页共 262 页

同样是实现了求和, 但是,C 代码需要 N 多个 ( 很多 )CPU 周期才得出结果, 而用 Verilog 一个 clk 周期就计算出来了或许现在你还不知道为什么没关系, 下面的内存笔者讲解 Verilog 语言基础 2.

7 同样是实现了求和, 但是,C 代码需要 N 多个 ( 很多 )CPU 周期才得出结果, 而用 Verilog 一个 clk 周期就计算出来了或许现在你还不知道为什么没关系, 下面的内存笔者讲解 Verilog 语言基础 Verilog 最最基础语法 Verilog 和 C 在外形上有很大相识的地方, 有了 C 基础背景,Verilog 看起来就并不陌生 C 语言和 Verilog 的关键词和结构对比 : C 语言和 Verilog 运算符对比 : 真是太振奋人心了, 一切都是这么熟悉学好 FPGA 已经没有心理障碍了关键字信号部分 : 第 71 页共 262 页

8 input 关键词, 模块的输入信号, 比如 input Clk,Clk 是外面关键输入的时钟信号 ; output 关键词, 模块的输出信号, 比如 output[3:0]led; 这个地方正好是一组输出信号其中 [3:0] 表示 0~3 共 4 路信号 inout 模块输入输出双向信号这种类型, 我们的例子 24LC02 中有使用数总线的通信中, 这种信号被广泛应用 ; wire 关键词, 线信号例如 :wire C1_Clk; 其中 C1_Clk 就是 wire 类型的信号 ; 线信号, 三态类型, 我们一般常用的线信号类型有 input,output,inout,wire; reg 关键词, 寄存器和线信号不同, 它可以在 always 中被赋值, 经常用于时序逻辑中比如 reg[3:0]led; 表示了一组寄存器结构部分 : module() module 代表一个模块, 我们的代码写在这个两个关键字中间 always@() 括号里面是敏感信号这里的 always@(posedge Clk) 敏感信号是 posedge Clk 含义是在上升沿的时候有效, 敏感信号还可以 negedge Clk 含义是下降沿的时候有效, 这种形式一般时序逻辑都会用到还可以是 * 这个一符号, 如果是一个 * 则表示一直是敏感的, 一般用于组合逻辑 assign 用来给 output,inout 以及 wire 这些类型进行连线 assign 相当于一条连线, 将表达式右边的电路直接通过 wire( 线 ) 连接到左边, 左边信号必须是 wire 型 (output 和 inout 属于 wire 型 ) 当右边变化了左边立马变化, 方便用来描述简单的组合逻辑示例 : wire a, b, y; assign y = a & b; 这些语句含义上都和高级语言一样 : if(...)... End if(...)... else... End if(...)... else if(...)... case(...)... case... 作用域范围, 类似于 C 的大括号用法举例 : 第 72 页共 262 页

9 clk)... 符号部分 :( 我们这里 FALSH 为 0,TRUE 为 1) ; 分号用于每一句代码的结束, 以表示结束, 和 C 语言一样 : 冒号, 用在数组, 和条件运算符以及 case 语句结构中 case 结构会在后面讲解 <= 赋值符号, 非阻塞赋值, 在一个 always 模块中, 所有语句一起更新它也可以表示小于等于, 具体是什么含义编译环境根据当前编程环境判断, 如果 <= 是用在一个 if 判断里如 :if(a <= 10); 当然就表示小于等于了 = 阻塞赋值, 或者给信号赋值, 如果在 always 模块中, 这条语句被立刻执行阻塞赋值和非阻塞赋值将再后面详细举例说明 +,-,*,/,% 是加减乘除运算符号, 这些使用和 C 语言基本是一样的, 当你用到这些符号时, 编译后会自动生成或者消耗 FPGA 原有的加法器或是乘法器等其中符号 /,% 会消耗大量的逻辑, 谨慎使用 < 小于, 比如 A<B 含义就是 A 和 B 比较, 如果 A 小于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE <= 小于等于, 比如 A<=B 含义就是 A 和 B 比较, 如果 A 小于等于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE > 大于, 比如 A>B 含义就是 A 和 B 比较, 如果 A 大于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE >= 大于等于, 比如 A>=B 含义就是 A 和 B 比较, 如果大于等于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE == 等于等于, 比如 A==B 含义就是 A 和 B 比较, 如果 A 等于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE!= 不等于,A!=B 含义是 A 和 B 比较, 如果 A 不等于 B 就是 TURE, 否则为 FALSE. >> 右移运算符, 比如 A>>2 表示把 A 右移 2 位 << 左移运算符, 比如 A<<2 表示把 A 左移 2 位 ~ 按位取反运算符, 比如 A=8 b1111_0000; 则 ~A 的值为 8 b0000_1111; & 按位于与, 比如 A=8 b1111_0000;b=8 b1010_1111; 则 A&B 结果为 8 b1010_0000; ^ 异或运算符, 比如 A=8 b1111_0000;b=8 b1010_1111; 则 A^B 结果为 8 b0101_1111; && 逻辑与, 比如 A==1,B==2; 则 A&&B 结果为 TRUE; 如果 A==1,B==0, 则 A&&B 结果为 FALSE, 一般用于条件判断 A = B? C : D 是一个条件运算符, 含义是如果 B 为 TRUE 则把 C 连线 A, 否则把 D 连线 A B 第 73 页共 262 页

10 通常是个条件判断, 用小括弧括起 : assign C1_Clk = (C1==25'd )? 1 : 0 ; C1_Clk, 是一个 wire 类型的信号, 当 C1==25'd 时候, 连线到 1, 否则连线到 0. {} 在 Verilog 中表示拼接符,{a,b} 这个的含义是将括号内的数按位并在一起, 比如 : {1001,1110} 表示的是拼接是 Verilog 相对于其他语言的一大优势, 在以后的编程中请慢慢体会参数部分 : parameter 定义一个符号 a 为常数 ( 十进制 180 找个常量的定义等效方式 ): parameter a = 180;// 十进制, 默认分配长度 32bit( 编译器默认 ) parameter a = 8 d180;// 十进制 parameter a = 8 haa; // 十六进制 parameter a = 8 b1010_1010; // 二进制预处理命令 // `include file1.v // `define X = 1; // `deine Y; `ifdef Y Z=1; `else Z=0; `if // 有的时候我们一些公共的宏参数, 我们可以放在一个文件中, 比如这个文件名字为 xx.v 那么我们可以 `include xx.v 就可以包含找个文件中定义的一些宏参数我还是来详细说明下吧! 话说 Verilog 的 `include 和 C 语言的 include 用法是一样一样的, 要说区别可能就在于那个点吧 include 一般就是包含一个文件, 对于 Verilog 这个文件里的内容无非是一些参数定义, 所以这里再提几个关键字 :`ifdef `define `if( 他们都带个点, 呵呵 ) 他们联合起来使用, 确实能让你的程序多样化, 就拿 VGA 程序说事吧首先, 你可以新建一个.h 文件 ( 可以直接新建一个 TXT, 让后将后缀换成.h) 其实这个后缀没所谓,.v 也是可以的, 我觉得, 写成.h 更能体现出这个文件的意义假设有个 lcd_para.h 文件, 内容如下 : // 640 * 480 `ifdef VGA_640_480_60FPS_25MHz `define H_FRONT 11'd16 `define H_SYNC 11'd96 `define H_BACK 11'd48 `define H_DISP 11'd640 `define H_TOTAL 11'd800 第 74 页共 262 页

11 `define V_FRONT 11'd10 `define V_SYNC 11'd2 `define V_BACK 11'd33 `define V_DISP 11'd480 `define V_TOTAL 11'd525 `if // 800 * 600 `ifdef VGA_800_600_72FPS_50MHz `define H_FRONT 11'd56 `define H_SYNC 11'd120 `define H_BACK 11'd64 `define H_DISP 11'd800 `define H_TOTAL 11'd1040 `define V_FRONT 11'd37 `define V_SYNC 11'd6 `define V_BACK 11'd23 `define V_DISP 11'd600 `define V_TOTAL 11'd666 `if // `define H_Start (`H_SYNC + `H_BACK) `define H_END (`H_SYNC + `H_BACK + `H_DISP) `define V_Start (`V_SYNC + `V_BACK) `define V_END (`V_SYNC + `V_BACK + `V_DISP) 这里为 VGA 定义了两种分辨率, 通过 `define VGA_800_600_60MHz 或 VGA_640_480_60FPS_25MHz 或 `define VGA_800_600_72FPS_50MHz 来决定使用哪种分辨率比如, 我的 xxx.v 文件想调用 lcd_para.h, 那么 xxx.v 我可以写到 : `define VGA_800_600_60MHz // 这句要放在 "lcd_para.h" 的上面, 不然编译不通过 `include "lcd_para.h" 那么 xxx.v 文件中就可以用 lcd_para.h 中的参数了, 且对应是 VGA_800_600_60MHz 下的参数其次 `include "lcd_para.h" 这个路径也有一点讲究,xxx.v 作为引用 lcd_para.h 的文件它和 lcd_para.h 在同一文件夹下才能怎么写, 就是相对路径一说了也就是以 xxx.v 为当前路径去引索 lcd_para.h 文件的位子所以如果他们不再一个文件夹那么请写出更详细 ( 正确 ) 的路径顺便说一句,lcd_para.h 添不添加到工程是无所谓的, 只要路径对了即可, 当然我还是建议添加到工程, 且和.v 文件放在同一文件夹下, 以方便观察和管理 Verilog 中数值表示的方式如果我们要表示一个十进制是 180 的数值, 在 Verilog 中的表示方法如下 : 二进制 :8 b1010_1010; // 其中 _ 是为了容易观察位数, 可有可无十进制 :8 d180; 16 进制 :8 haa; 第 75 页共 262 页

12 2.2.9 阻塞赋值和非阻塞赋值详解说道阻塞赋值和非阻塞赋值, 是很多初学者很迷惑的地方原因是 C 语言没有可以类比的东西学习 FPGA 和单片机最大的区别在于, 学 FPGA 时, 你必须时刻都有着时钟的概念不像单片机时钟相关性比较差,FPGA 你必须却把握每一个时钟首先来说说非阻塞赋值, 这个在时序逻辑中随处可见 : reg A; reg B; clk) A <= 1'b1; B <= 1'b1; /*** 或者 ** B <= 1'b1; A <= 1'b1; *********/ 这段程序里,A 和 B 是同时被赋值的, 具体是说在时钟的上升沿来的时刻,A 和 B 同时被置 1 调换 A 和 B 的上下顺序, 将得到相同的结果接着看另外一段程序 : reg A; reg B; clk) A <= 1'b1; clk) B <= 1'b1; 这段程序, 与第一段程序也是完全等价的,A 和 B 在同一时刻被赋值两段程序综合出的逻辑也是完全相同的这就是阻塞赋值的特点, 体现了 FPGA 的并行性! 接着来看阻塞赋值, 它少了一个非, 表示会阻塞住, 那么体会下这个阻塞 : clk) A = 1'b1; B <= 1'b1; 第 76 页共 262 页

13 看到, 上面这个程序是阻塞和非阻塞的混合使用, 一般教材是极力反对这种写法的其实只要你理解了, 有的时候这种用法还能帮上大忙只不过, 不理解的话乱用会导致时序违规回到正题, 我们这么写是为了更好的理解阻塞赋值 : 当时钟上升沿来临的时刻, 首先 A 会被置 1, 然后 B 寄存器再置 1 区别就是 A 和 B 不再同时置 1 A 要比 B 提前零点几纳秒这样就出现了先后顺序这个过程还是在一个时钟内完成的, 但是数据到达 B 寄存器相比上面两段程序晚了那么零点几纳秒! 当我们的时钟跑的比较慢的时候, 比如 50M, 一个周期有 20ns, 那么这么短暂的延时基本可以忽略不计, 但是随着设计的复杂, 以及时钟速度的提高, 这样的语句就要小心假设, 我们要计算 AB 求和再除以 2 的结果先用非阻塞方法去实现, 由于 AB 求和再除以 2 是两个步骤, 而非阻塞所以的事情都在一个时钟完成, 所以这里我们用状态机, 将两个步骤分配到两个时钟里去完成 : reg [3:0]A; reg [3:0]B; reg [4:0]C; reg [4:0]result; reg i; clk) if(rst_n) A <= 4'd0; B <= 4'd0; C <= 5'd0; result <= 5 d0; else case(i) 0:// 步骤 1 C <= A + B; i <= 1'b1; 1:// 步骤 2 result <= (C >> 1); case 第一个时钟上升沿来临时, 完成 C <= A + B; 并由步骤 1 跳转到步骤 2; 第二个时钟来临时完成 result <= (C >> 1); 求出结果, 这个过程耗费两个时钟 ( 不考虑复位消耗的时钟 ) 再来, 用添加阻塞的方式实现 : 第 77 页共 262 页

14 reg [3:0]A; reg [3:0]B; reg [4:0]C; reg [4:0]result; reg i; clk) if(rst_n) A <= 4'd0; B <= 4'd0; C <= 5'd0; else C = A + B; result <= (C >> 1); 时钟先通过阻塞的方法提前得到 C 的值, 再将 C 右移 1 位, 达到除以 2 的效果整个过程耗时一个以上的程序并没有什么实际的参考价值, 但是解释清楚阻塞和非阻塞赋值, 它已经做到了 ~~ 讲到这里, 笔者以最快的速度, 最简单的方式, 让读者学习了 Verilog 语言的语法部分具备这些基础知识, 下面笔者将带你通过代码来学习 Veriog 语言最后, 笔者提一点建议, 学习 Verilog 多看别人写的优秀的代码, 多看官方提供的代码和文档其中官方提供的代码, 很多时候代表了最新的用法, 或者推荐的用法读者学习, 首先把最最基础的掌握好, 这样, 在项目中遇到了问题, 也能快速学习, 快速解决对于理论知识的学习, 没必要一开始就研究得那么深刻, 只是搞理论学习, 对于学习 Verilog 语言, 或者 FPGA 开发是不实际的, 要联系理论和实践结合多仿真, 多验证, 多问题, 多学习, 多改进 2.3 状态机设计状态机是许多数字系统的核心部件, 是一类重要的时序逻辑电路通常包括三个部分 : 一是下一个状态的逻辑电路, 二是存储状态机当前状态的时序逻辑电路, 三是输出组合逻辑电路通常, 状态机的状态数量有限, 称为有限状态机 (FSM) 由于状态机所有触发器的时钟由同一脉冲边沿触发, 故也称之为同步状态机根据状态机的输出信号是否与电路的输入有关分为 Mealy 型状态机和 Moore 型状态机电路的输出信号不仅与电路当前状态有关, 还与电路的输入有关, 称为 Mealy 型状态机, 而电路的输出仅仅与各触发器的状态, 不受电路输入信号影响或无输入, 称为 Moore 型状态机其标准模型如下所示 : 第 78 页共 262 页

状态机的状态转移图, 通常也可根据输入和内部条件画出一般来说, 状态机的设计包含下列设计步骤 : 根据需求和设计原则, 确定是 Moore 型还是 Mealy 型状态机 ; 分析状态机的所有状态, 对每一状态选择合适的编码方式, 进行编码 ; 根据状态转移关系和输出绘出状态转移图 ; 构建合适的状态机结构, 对状态机进行硬件描述状态机的描述通常有三种方法,

等价语句 ) 描述状态转换逻辑 ; 4) 描述状态机的输出逻辑下面根据状态机的三种方法, 来比较各种方法的优劣一段式状态机 `timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: //

15 状态机的状态转移图, 通常也可根据输入和内部条件画出一般来说, 状态机的设计包含下列设计步骤 : 根据需求和设计原则, 确定是 Moore 型还是 Mealy 型状态机 ; 分析状态机的所有状态, 对每一状态选择合适的编码方式, 进行编码 ; 根据状态转移关系和输出绘出状态转移图 ; 构建合适的状态机结构, 对状态机进行硬件描述状态机的描述通常有三种方法, 称为一段式状态机, 二段式状态机和三段式状态机状态机的描述通常包含以下四部分 : 1) 利用参数定义语句 parameter 描述状态机各个状态名称, 即状态编码状态编码通常有很多方法包含自然二进制编码,One-hot 编码, 格雷编码码等 ; 2) 用时序的 always 块描述状态触发器实现状态存储 ; 3) 使用敏感表和 case 语句 ( 也采用 if-else 等价语句 ) 描述状态转换逻辑 ; 4) 描述状态机的输出逻辑下面根据状态机的三种方法, 来比较各种方法的优劣一段式状态机 `timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 10:10:56 09/05/2015 // Design Name: // Module Name: Detect // Project Name: // Target Devices: // Tool versions: // Description: 一段式状态机描述 // // Depencies: // 第 79 页共 262 页

16 // Revision: // Revision File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module Detect( input clk_i, input rst_n_i, input sin, output out ); reg out_r; // 状态声明和状态编码 reg [1:0] state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; always@(posedge clk_i or negedge rst_n_i) if(!rst_n_i) state<=0; else case(state) S0 : out_r<=1'b0; state<=(sin==1)? S0 : S1; S1 : out_r<=1'b0; state<=(sin==1)? S2 : S1; S2 : out_r<=1'b0; state<=(sin==1)? S0 : S3; 第 80 页共 262 页

17 S3 : if(sin==1) out_r<=1'b1; state<=s2; else out_r<=1'b0; state<=s1; case assign out=out_r; module 一段式状态机是应该避免使用的, 该写法仅仅适用于非常简单的状态机设计, 不符合组合逻辑与时序逻辑分开的原则, 整个结构代码也不清晰, 不利用维护和修改两段式状态机 `timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 10:10:56 09/05/2015 // Design Name: // Module Name: Detect // Project Name: // Target Devices: // Tool versions: // Description: // // Depencies: // // Revision: // Revision File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module Detect( input clk_i, input rst_n_i, 第 81 页共 262 页

18 input sin, output out ); reg out_r; // 状态声明和状态编码 reg [1:0] Current_state; reg [1:0] Next_state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; // 时序逻辑 : 描述状态转换 always@(posedge clk_i or negedge rst_n_i) if(!rst_n_i) Current_state<=0; else Current_state<=Next_state; // 组合逻辑 : 描述下一状态和输出 always@(current_state or sin) out_r=1'b0; case(current_state) S0 : out_r=1'b0; Next_state=(sin==1)? S0 : S1; S1 : out_r=1'b0; Next_state=(sin==1)? S2 : S1; S2 : out_r=1'b0; Next_state=(sin==1)? S0 : S3; S3 : 第 82 页共 262 页

19 if(sin==1) out_r=1'b1; Next_state=S2; else out_r=1'b0; Next_state=S1; case assign out=out_r; module 两段式状态机采用两个 always 模块实现状态机的功能, 其中一个 always 采用同步时序逻辑描述状态转移, 另一个 always 采用组合逻辑来判断状态条件转移两段式状态机是推荐的状态机设计方法三段式状态机 `timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 10:10:56 09/05/2015 // Design Name: // Module Name: Detect // Project Name: // Target Devices: // Tool versions: // Description: // // Depencies: // // Revision: // Revision File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module Detect( input clk_i, input rst_n_i, input sin, 第 83 页共 262 页

20 output out ); reg out_r; // 状态声明和状态编码 reg [1:0] Current_state; reg [1:0] Next_state; parameter [1:0] S0=2'b00; parameter [1:0] S1=2'b01; parameter [1:0] S2=2'b10; parameter [1:0] S3=2'b11; // 时序逻辑 : 描述状态转换 always@(posedge clk_i or negedge rst_n_i) if(!rst_n_i) Current_state<=0; else Current_state<=Next_state; // 组合逻辑 : 描述下一状态 always@(current_state or sin) case(current_state) S0 : Next_state=(sin==1)? S0 : S1; S1 : Next_state=(sin==1)? S2 : S1; S2 : Next_state=(sin==1)? S0 : S3; S3 : if(sin==1) Next_state=S2; else Next_state=S1; case // 输出逻辑 : 让输出 out, 经过寄存器 out_r 锁存后输出, 消除毛刺 always@(posedge clk_i or negedge rst_n_i) if(!rst_n_i) out_r<=1'b0; else 第 84 页共 262 页

21 out_r<=1'b0; case(current_state) S0,S1,S2 : out_r<=1'b0; S3 : if(sin==1) out_r<=1'b1; else out_r<=1'b0; case assign out=out_r; module 三段式状态机在第一个 always 模块采用同步时序逻辑方式描述状态转移, 第二个 always 模块采用组合逻辑方式描述状态转移规律, 第三个 always 描述电路的输出通常让输出信号经过寄存器缓存之后再输出, 消除电路毛刺这种状态机也是比较推崇的, 主要是由于维护方便, 组合逻辑与时序逻辑完全独立 2.4 Testbench 设计一个完整的设计, 除了好的功能描述代码, 对于程序的仿真验证是必不可少的学会如何去验证自己所写的程序, 即如何调试自己的程序是一件非常重要的事情而 RTL 逻辑设计中, 学会根据硬件逻辑来写测试程序, 即 Testbench 是尤其重要的 Verilog 测试平台是一个例化的待测 (MUT) 模块, 重要的是给它施加激励并观测其输出逻辑模块与其对应的测试平台共同组成仿真模型, 应用这个模型可以测试该模块能否符合自己的设计要求编写 TESTBENCH 的目的是为了对使用硬件描述语言设计的电路进行仿真验证, 测试设计电路的功能性能与设计的预期是否相符通常, 编写测试文件的过程如下 : 产生模拟激励 ( 波形 ); 将产生的激励加入到被测试模块中并观察其响应 ; 将输出响应与期望值相比较通常, 一个完整的测试文件其结构为 module Test_bench();// 通常无输入无输出信号或变量声明定义逻辑设计中输入对应 reg 型逻辑设计中输出对应 wire 型使用 initial 或 always 语句产生激励例化待测试模块监控和比较输出响应 module 下面列举出一些常用的封装子程序, 这些是常用的写法, 在很多应用中都能用到第 85 页共 262 页

22 时钟激励产生方法一 :50% 占空比时钟 parameter ClockPeriod=10; initial clk_i=0; forever #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i; 时钟激励产生方法二 :50% 占空比时钟 initial clk_i=0; always #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i; 时钟激励产生方法四 : 产生固定数量的时钟脉冲 initial clk_i=0; repeat(6) #(ClockPeriod/2) clk_i=~clk_i; 时钟激励产生方法五 : 产生非占空比为 50% 的时钟 initial clk_i=0; forever #((ClockPeriod/2)-2) clk_i=0; #((ClockPeriod/2)+2) clk_i=1; 第 86 页共 262 页

23 复位信号产生方法一 : 异步复位 initial rst_n_i=1; #100; rst_n_i=0; #100; rst_n_i=1; 复位信号产生方法二 : 同步复位 initial clk_i) rst_n_i=0; #100; // 固定时间复位 clk_i); // clk_i) rst_n_i=1; 复位信号产生方法三 : 复位任务封装 task reset; input [31:0] reset_time; // 复位时间可调, 输入复位时间 RST_ING=0; // 复位方式可调, 低电平或高电平 rst_n=rst_ing; // 复位中 #reset_time; // 复位时间 rst_n_i=~rst_ing; // 撤销复位, 复位结束 task 特殊激励信号产生描述一 : 输入信号任务封装 task i_data; input [7:0] dut_data; 第 87 页共 262 页

24 @(posedge data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); data_en); s_data=1; #100; task // 调用方法 :i_data(8'hxx); 特殊激励信号产生描述二 : 多输入信号任务封装 task more_input; input [7:0] a; input [7:0] b; input [31:0] times; output [8:0] c; repeat(times) // 等待 times clk_i) c=a+b; // 时钟上升沿 a,b 相加 task // 调用方法 :more_input(x,y,t,z); // 按声明顺序双向信号描述一 :inout 在 testbench 中定义为 wire 型变量 // 为双向端口设置中间变量 inout_reg 作为 inout 的输出寄存, 其中 inout 变 // 量定义为 wire 型, 使用输出使能控制传输方向 //inout bir_port; wire bir_port; reg bir_port_reg; reg bi_port_oe; assign bi_port=bi_port_oe? bir_port_reg : 1'bz; 双向信号描述二 : 强制 force // 当双向端口作为输出口时, 不需要对其进行初始化, 而只需开通三态门第 88 页共 262 页

25 // 当双向端口作为输入时, 只需要对其初始化并关闭三态门, 初始化赋值需 // 使用 wire 型数据, 通过 force 命令来对双向端口进行输入赋值 //assign dinout=(!en) din :16'hz; 完成双向赋值 initial force dinout=20; #200 force dinout=dinout-1; 特殊激励信号产生描述三 : 输入信号产生, 一次 SRAM 写信号产生 initial cs_n=1; // 片选无效 wr_n=1; // 写使能无效 rd_n=1; // 读使能无效 addr=8'hxx; // 地址无效 data=8'hzz; // 数据无效 #100; cs_n=0; // 片选有效 wr_n=0; // 写使能有效 addr=8'hf1; // 写入地址 data=8'h2c; // 写入数据 #100; cs_n=1; wr_n=1; #10; addr=8'hxx; data=8'hzz; Testbench 与 wait //@ 使用沿触发 //wait 语句都是使用电平触发 initial start=1'b1; wait(en=1'b1); #10; start=1'b0; 第 89 页共 262 页

26 仿真控制语句及系统任务描述 $stop // 停止运行仿真,modelsim 中可继续仿真 $stop(n) // 带参数系统任务, 根据参数 0,1 或 2 不同, 输出仿真信息 $finish // 结束运行仿真, 不可继续仿真 $finish(n) // 带参数系统任务, 根据参数 0,1 或 2 不同, 输出仿真信息 //0: 不输出任何信息 //1: 输出当前仿真时刻和位置 //2: 输出当前仿真时刻位置和仿真过程中用到的 memory 以及 CPU 时间的统计 $random // 产生随机数 $random % n // 产生范围 -n 到 n 之间的随机数 {$random} % n // 产生范围 0 到 n 之间的随机数仿真终端显示描述 $monitor // 仿真打印输出, 大印出仿真过程中的变量, 使其终端显示 /* $monitor($time,,,"clk=%d reset=%d out=%d",clk,reset,out); */ $display // 终端打印字符串, 显示仿真结果等 /* $display( Simulation start! "); $display( At time %t,input is %b%b%b,output is %b",$time,a,b,en,z); */ $time // 返回 64 位整型时间 $stime // 返回 32 位整型时间 $realtime // 实行实型模拟时间文本输入方式 :$readmemb/$readmemh // 激励具有复杂的数据结构 //verilog 提供了读入文本的系统函数 $readmemb/$readmemh("< 数据文件名 >",< 存储器名 >); $readmemb/$readmemh("< 数据文件名 >",< 存储器名 >,< 起始地址 >); $readmemb/$readmemh("< 数据文件名 >",< 存储器名 >,< 起始地址 >,< 结束地址 >); $readmemb:/* 读取二进制数据, 读取文件内容只能包含 : 空白位置, 注释行, 二进制数数据中不能包含位宽说明和格式说明, 每个数字必须是二进制数字 */ $readmemh:/* 读取十六进制数据, 读取文件内容只能包含 : 空白位置, 注释行, 十六进制数第 90 页共 262 页

27 数据中不能包含位宽说明和格式说明, 每个数字必须是十六进制数字 */ /* 当地址出现在数据文件中, 地址与数字之间不允许空白位置, 可出现多个地址 */ module reg [7:0] memory[0:3];// 声明 8 个 8 位存储单元 integer i; initial $readmemh("mem.dat",memory);// 读取系统文件到存储器中的给定地址 // 显示此时存储器内容 for(i=0;i<4;i=i+1) $display("memory[%d]=%h",i,memory[i]); module /*mem.dat AB A1 */ // 仿真输出为 Memory[0] = xx; Memory[1] = AB; Memory[2] = CD; Memory[3] = A1; 上面只例举了常用的 testbench 写法, 在工程应用中基本能够满足我们需求, 至于其他更为复杂的 testbench 写法, 大家可参考其他书籍或资料这里提出以下几点建议供大家参考 : 封装有用且常用的 testbench,testbench 中可以使用 task 或 function 对代码进行封装, 下次利用时灵活调用即可 ; 如果待测试文件中存在双向信号 (inout) 需要注意, 需要一个 reg 变量来表示输入, 一个 wire 变量表示输出 ; 单个 initial 语句不要太复杂, 可分开写成多个 initial 语句, 便于阅读和修改 ; Testbench 说到底是依赖 PC 软件平台, 必须与自身设计的硬件功能想搭配第 91 页共 262 页

Huawei Technologies Co

Huawei Technologies Co Testbench Preliminary itator 1 TESTBENCH... 3 2 TESTBENCH... 3 2.1 Testbench... 3 2.2... 4 2.2.1 HDL... 4 2.2.2... 5 2.2.3 PLI... 5 2.3... 6 2.4... 6 2.4.1... 6 2.4.2... 7 3 TESTBENCH... 9 3.1 2-4... 9