写自己的第二级处理器（3）——Verilog HDL行为语句

我们会继续上传新书《自己动手写处理器》（未公布），今天是第七章，我每星期试试4

2.6 Verilog HDL行为语句

2.6.1 过程语句

Verilog定义的模块一般包含有过程语句，过程语句有两种：initial、always。当中initial经常使用于仿真中的初始化。当中的语句仅仅运行一次，而always中语句则是不断反复运行的。此外，always过程语句是可综合的，initial过程语句是不可综合的。

      1、always过程语句

always过程语句的格式如图2-10所看到的。

always过程语句一般是带有触发条件的。触发条件写在敏感信号表达式中。敏感信号表达式又称为事件表达式或敏感信号列表，当该表达式中变量的值改变时。就会引发当中语句序列的运行。

因此。敏感信号表达式中应列出影响块内取值的全部信号。

（1）敏感信号表达式的格式

假设有两个或两个以上的敏感信号时，它们之间使用“or”连接。此处还是以32位加法器为例，2.4节是使用assign直接赋值的，事实上也能够使用always过程语句实现，例如以下。

仅仅要被加数in1、加数in2中的不论什么一个改变，都会触发always过程语句，在当中进行加法运算。这里有两个敏感信号in1、in2。使用“or”连接。

module add32(input  wire[31:0]  in1,
             input  wire[31:0]  in2,
		output reg[31:0]  out);

always @ (in1 or in2)             //使用always过程语句实现加法
begin
      out = in1 + in2;
end

endmodule

敏感信号列表中的多个信号也能够使用逗号隔开，上面的32位加法器能够改动为例如以下形式。

module add32(input  wire[31:0]  in1,
             input  wire[31:0]  in2,
		output reg[31:0]  out);

always @ (in1, in2)             //多个敏感信号使用逗号分隔
begin
      out = in1 + in2;
end

endmodule

敏感信号列表也能够使用通配符“*”。表示在该过程语句中的全部输入信号变量，上面的32位加法器能够改动为例如以下形式。

module add32(input  wire[31:0]  in1,
             input  wire[31:0]  in2,
		output reg[31:0]  out);

always @ (*)                   //使用通配符表示过程语句中的全部输入信号变量
begin
      out = in1 + in2;
end

endmodule

（2）组合电路与时序电路

敏感信号能够分为两种类型：一种为电平敏感型，一种为边沿敏感型。前一种一般相应组合电路，如上面给出的加法器的样例，后一种一般相应时序电路。对于时序电路。敏感信号一般是时钟信号，Verilog HDL提供了posedge、negedge两个keyword来描写叙述时钟信号。posedge表示以时钟信号的上升沿作为触发条件，negedge表示以时钟信号的下降沿作为触发条件。还是以32位加法器为例。能够为其加入一个时钟同步信号，例如以下。

module add32(input wire        clk,     //添加了一个时钟输入信号
             input wire[31:0]  in1,
             input wire[31:0]  in2,
output reg[31:0] out);

always @ (posedge clk)              //在时钟信号的上升沿会触发always中的语句
begin
       out = in1 + in2;
end

endmodule

在时钟信号的上升沿，才会进行加法运算，这一点与前面的加法器不同。也就是当被加数in1、加数in2变化时。并不会马上改变输出out，而是要等待时钟信号的上升沿。

      2、initial过程语句

initial过程语句的格式如图2-11所看到的。

initial过程语句不带触发条件，而且当中的语句序列仅仅运行一次。initial过程语句通经常使用于仿真模块中对激励向量的描写叙述。或用于给寄存器赋初值。它是面向模拟仿真的过程语句，通常不能被综合。例如以下是initial过程语句的一个样例。用于给存储器mem赋初值。

initial
  begin
    for(addr = 0; addr < size; addr = addr+1)  // for是一种循环语句。下文会介绍
	 mem[addr] = 0;
  end

2.6.2 赋值语句

赋值语句有两种：持续赋值语句、过程赋值语句。

      1、持续赋值语句

assign为持续赋值语句，主要用于对wire型变量的赋值。

如上文中加法器的样例。

      2、过程赋值语句

在always、initial过程中的赋值语句称为过程赋值语句。多用于对reg型变量进行赋值，分为非堵塞赋值和堵塞赋值两种方式。

（1）非堵塞赋值（Non-Blocking）

赋值符号为“<=”，比如。

b <= a

非堵塞赋值在整个过程语句结束时才会完毕赋值操作。即b的值并非立马改变的。

（2）堵塞赋值（Blocking）

赋值符号为“=”，比如。

b = a

堵塞赋值在该语句结束时就马上完毕赋值操作，即b的值在这条语句结束后立马改变。假设在一个块语句中，有多条堵塞赋值语句，那么在前面的赋值语句没有完毕之前。后面的语句就不能被运行，仿佛被堵塞了一样，因此称为堵塞赋值方式。

在always过程块中，堵塞赋值能够理解为赋值语句是顺序运行的，而非堵塞赋值能够理解为赋值语句是并发运行的。如图2-12所看到的。

在一个过程块中，堵塞式赋值与非堵塞式赋值仅仅能使用当中一种。

2.6.3 条件语句

条件语句有if-else、case两种。应放在always块内。

分别介绍例如以下。

      1、if-else语句

if-else语句的格式有例如以下三种。

(1) if(表达式)                语句序列1;              // 非完整性IF语句

(2) if(表达式)                语句序列1;              // 二重选择的IF语句
else                         语句序列2;

(3) if(表达式1)               语句序列1;             // 多重选择的IF语句
    else if(表达式2)           语句序列2;
    else if(表达式3)          语句序列3;
      ......
else if(表达式n)              语句序列n;
else                         语句序列n+1;

上述格式中的“表达式”一般为逻辑表达式或关系表达式，也可能是1位的变量。系统对表达式的值进行推断。假设为0、X、Z。则按“假”处理，假设为1。则按“真”处理。

语句序列能够是单句。也能够是多句。多句时需使用begin-end块语句括起来。

还是以32位加法器为例。为其加入一个复位信号rst，假设rst为高电平，那么复位信号有效。输出out为0，反之，复位信号无效，输出out为两个输入信号之和。

module add32(input wire        rst,    // 添加了一个复位信号
             input wire[31:0]  in1,
             input wire[31:0]  in2,
		output reg[31:0] out);

always @ (*)
begin
      if(rst == 1'b1)
	    out <= 32'h0;       // 假设复位信号有效。那么输出out为0
else
	    out <= in1 + in2;   // 反之，输出out为两个输入信号之和
end

endmodule

      2、case语句

相对于if-else语句仅仅有两个分支而言，case语句是一种多分支语句，所以case语句多用于多条件译码电路，如译码器、数据选择器、状态机及微处理器的指令译码等。其格式例如以下。

case(敏感表达式)
值1: 语句序列1;
值2: 语句序列2;
......
值n: 语句序列n;
default: 语句序列n+1;
endcase

当敏感表达式的值等于“值1”时，运行语句序列1；当等于“值2”时，运行语句序列2。依次类推。假设敏感表达式的值与上面列出的值都不符，那么运行default后面的语句序列。例如以下代码是一个简单的运算单元，可运行加法或减法运算，假设输入变量type的值为1。那么运行加法运算，假设type的值为0。那么运行减法运算。

module add_sub32(input  wire        type,   // type决定运算类型
                 input  wire[31:0]  in1,
                 input  wire[31:0]  in2,
		    output reg[31:0]  out);

always @ (*)
begin
       case(type)
	  1'b1 : out <= in1 + in2;  // type为1。运行加法运算
	  1'b0 : out <= in1 - in2;  // type为0。运行减法运算
	  default : out <= 32'h0;
endcase
    end

endmodule

case语句中。敏感表达式与值1-n之间的比較是一种全等比較，必须保证两者的相应位全等。casez、casex语句是case语句的两种扩展。

• 在casez语句中，假设比較的两方某些位的值为高阻Z，那么对这些位的比較结果就不予考虑，仅仅需考虑其他位的比較结果。
• 在casex语句中。假设比較的两方某些位的值为Z或X。那么对这些位的比較结果就不予考虑，仅仅需考虑其他位的比較结果。

此外。另一种表示X或Z的方式，即用表示无关值的符号“?”来表示，比如。

case(a)
2'b1x : out <= 1;   //仅仅有a等于2'b1x时，out才等于1

casez(a)
2'b1x : out <= 1;   //a等于2'b1x、2'b1z时，out等于1

casex(a)
2'b1x : out <= 1;   //a等于2'b10、2'b11、2'b1x、2'b1z时。out等于1

case(a)
2'b1? : out <= 1;   //a等于2'b10、2'b11、2'b1x、2'b1z时，out等于1

2.6.4 循环语句

Verilog HDL中存在四种类型的循环语句：for、forever、repeat、while，用来控制语句的运行次数。分别介绍例如以下。

      1、for语句

for语句的格式例如以下。这与C语言是相似的。

for(循环变量赋初值; 循环结束条件; 改动循环变量)
运行语句序列;

一个使用for语句实现7人表决器的样例例如以下。

通过for循环统计赞成的人数，若超过4人（含4人）赞成则通过。当中vote[7:1]表示7个人的投票情况。vote[i]为1。表示第i个人投的是赞成票。反之是反对票，pass是输出，超过4个人赞成。pass为1，反之为0。

module vote7(vote, pass);

input  wire[7:1] vote;
output reg       pass;
reg[2:0]         sum;
integer          i;

always @ (vote)
begin
     sum = 0;
     for(i=1; i<7; i=i+1)
if(vote[i])
	   sum = sum+1;      //假设vote[i]为1，那么sum加1，注意此处使用堵塞赋值
if(sum[2] == 1'b1)   //假设sum大于等于4。那么输出pass为1
	   pass = 1;
else
	   pass = 0;
end

endmodule

      2、forever语句

forever语句的格式例如以下。

forever begin

语句序列

end

forever循环语句连续不断的运行当中的语句序列。经常使用来产生周期性的波形。

在2.8节编写仿真用的Test Bench文件时，会给出forever语句的样例。

      3、repeat语句

repeat语句的格式例如以下。

repeat(循环次数表达式) begin

语句序列

end

      4、while语句

while语句的格式例如以下。

while(循环运行条件表达式) begin

语句序列

end

while语句在运行时，首先推断循环运行条件表达式是否为真，若为真，则运行当中的语句序列，然后再次推断循环运行条件表达式是否为真，若为真。则再次运行当中的语句序列，如此重复，直到循环运行条件表达式不为真。

2.6.5 编译指示语句

Verilog HDL和C语言一样提供了编译指示功能，同意在程序中使用编译指示（Compiler Directives）语句，在编译时，通常先对这些指示语句进行预处理，然后再将预处理的 结果和源程序一起进行编译。

编译指示语句以“`”開始，以差别其他语句。

经常使用的编译指示语句有：`define、`include、`ifdef、`else、`endif。分别介绍例如以下。

      1、宏替换`define

`define能够用一个简单的名字或有意义的标识（也称为宏名）取代一个复杂的名字或变量。其格式例如以下。

`define 宏名 变量或名字

比如：一般在时序电路中会有一个复位信号，当该复位信号为高电平时表示复位信号有效，当该复位信号为低电平时，表示复位信号无效。分别运行不同的代码，例如以下。

always @ (clk)
begin
     if(rst == 1'b1)
       //复位有效
     else
       //复位无效
end

一种更为友好的书写方式，是使用宏定义，例如以下。

// 定义宏RstEnable表示复位信号有效，这个名字对读者而言更有意义
`define RstEnable 1'b1

 ......

always @ (clk)
begin
     if(rst == `RstEnable)  // 在编译的时候会自己主动将`RstEnable替换成1'b1
       //复位有效
     else
       //复位无效
end

      2、`include语句

`include是文件包括语句，它可将一个文件所有包括到还有一个文件里，使用格式例如以下。

`include "文件名称"

在OpenMIPS处理器的实现过程中。我们定义了非常多宏。这些宏都集中在文件defines.v中，假设某一程序须要使用当中的宏定义，就能够在程序文件的開始使用`include语句将defines.v文件包括进来就可以。例如以下。

`include "defines.v"

      3、条件编译语句`ifdef、`else、`endif

条件编译语句`ifdef、`else、`endif能够指定仅对程序中的部分内容进行编译。有两种使用形式。

第一种使用形式例如以下。

当指定的宏在程序中已定义。那么当中的语句序列參与源文件的编译，否则，当中的语句序列不參与源文件的编译。

`ifdef 宏名

   语句序列

 `endif

另外一种使用形式例如以下。

当指定的宏在程序中已定义，那么当中的语句序列1參与源文件的编译，否则。当中的语句序列2參与源文件的编译。

`ifdef 宏名

   语句序列1

`else

   语句序列2

`endif

2.6.6 行为语句的可综合性

前面几小节介绍了Verilog HDL中的多种行为语句。包含过程语句、赋值语句、条件语句、循环语句、编译指示语句。全部的语句都能在仿真中使用，可是有些语句是不可综合的。也就是说综合器无法将这些语句转变为相应的硬件电路。

Verilog HDL行为语句可综合性的情况如表2-4所看到的。

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