什么是Verilog？数字电路设计的硬件描述语言介绍

在本文中，我们将研究 Verilog 模块的基本结构，查看一些使用 Verilog “wire”数据类型及其向量形式的示例，并简要介绍 VHDL 和 Verilog 之间的一些区别。

Verilog和VHDL是常用来描述数字电路的两种语言。在前一篇文章中我们讨论VHDL 的基本概念。本文是我们关于 Verilog 的系列文章的起点。

我需要 Verilog 和 VHDL 吗？

在开始讨论之前，让我们先解决一个显而易见的问题：我们真的需要同时了解这两种语言吗？

Verilog 和 VHDL 都是强大的工具，可用于设计复杂的数字电路。尽管这两种 HDL 之间存在一些差异，但您可以自由选择其中一种来掌握和使用。但是，我相信在某些时候，您将受益于至少对这两种语言有基本的了解。有时作为设计师，我们需要一个示例代码段来了解如何编写项目。我们在网上冲浪了几个小时，终于找到了我们需要的东西，但这对我们来说毫无意义——它是用我们完全不熟悉的 HDL 编写的。如果没有对语言的基本了解，我们可能无法完全理解这些技术。

Verilog 进化

Verilog 由 Gateway Design Automation 于 1984 年初设计（大约在美国国防部发起 VHDL 三年后）。在 DoD 的支持下，VHDL 于 1987 年成为 IEEE 标准。Verilog 直到 1995 年才进入现场。今天，VHDL 和 Verilog 都是流行的 HDL，FPGA 设计工具通常支持这两种语言。

“Verilog”这个词是“验证”和“逻辑”这两个词的组合，因为该语言最初被建议作为一种模拟和验证工具。让我们开始了解 Verilog 的概念和语法。

示例 1

作为第一个示例，让我们为图 1 所示的电路编写 Verilog 代码。

图 1. Circuit_1

有两个输入和一个输出。端口都有一点宽。该电路的功能是对两个输入进行“与”运算并将结果放在 out1 端口上。

Circuit_1 模块的一种可能的 Verilog 描述是：

1号线和8号线

这两行使用关键字“module”和“endmodule”来指定中间的行（第 2 到 7 行）都描述了一个名为“Circuit_1”的电路。这个名字是任意的，允许我们稍后引用这个电路。

第 2 至 6 行

这些行指定“Circuit_1”与其周围环境的接口。输入和输出端口使用关键字“输入”和“输出”来描述。这些关键字之后是另一个关键字“wire”，然后是端口名称（参见图 1）。关键字“wire”指定了什么？“连线”是一种 Verilog 数据类型，表示设计中的物理连线。我们将在以后的文章中更详细地讨论 Verilog 数据类型，但现在，我们知道在我们的模块中将有称为 a、b 和 out1 的三根线，并且由于它们在端口声明中指定，它们对应于模块接口。

7号线

该行使用按位与运算符，即 &，来描述电路的功能。关键字“assign”将 a&b 放在输出端口 out1 上。这种类型的分配称为连续分配。之所以这样调用，是因为每当右侧的操作数发生变化时，赋值始终处于活动状态，a&b 被评估并分配给 out1。我们可以将连续分配设想为一个组合电路，其输出根据其输入而不断更新。在我们的例子中，这个组合电路是一个简单的与门。Verilog HDL 中还有一些程序分配，将在以后的文章中讨论。

现在，我们可以使用 Xilinx ISE 等软件包来验证上述代码。您可以在此处找到该软件的基于 Verilog 的教程 (PDF)。

将示例 1 与 VHDL 代码进行比较

下面的图 2 显示了 Circuit_1 模块的 Verilog 和 VHDL 描述。

图 2. Circuit_1 的 Verilog 和 VHDL 描述比较。

如您所见，在使用 VHDL 编码时，我们必须包含一些库。这些库给出了数据类型和运算符的定义。考虑到这些库的添加和 VHDL 的一般格式，我们观察到 VHDL 代码更加冗长。然而，这种冗长并非没有优点。例如，VHDL 的库管理功能在对更高级别的系统进行建模时会很有帮助。在以后的文章中，我们偶尔会讨论这两种 HDL 的优缺点。

Verilog 有一个四值系统

大多数 Verilog 数据类型使用四个基本值。清单 1 中定义的连线可以采用以下值之一：

• 0：逻辑低或假条件

• 1：逻辑高或真条件

• z：为高阻态（可用于描述一个三态缓冲器的输出）

• x：对于无关值或未知值（当输入未初始化或两个或多个冲突输出连接在一起时）。

VHDL std_logic 数据类型可以采用九个不同的值，但其常用值是“0”、“1”、“Z”和“-”（“-”表示不关心）。

示例 2

作为另一个例子，让我们为图 3 所示的电路（我们将标记为 Circuit_2）编写 Verilog 代码。

图 3. Circuit_2

下面的 Verilog 代码描述了这个电路：

上述代码中使用的元素与示例 1 中的元素类似，只是在代码的第 10 行中定义了一个内部信号。关键字“wire”用于指定此连接的数据类型。如上所述，“线”数据类型将转换为设计中的物理线。

上面的代码还使用了一些新的 Verilog 位运算符：~ 表示 NOT 和 | 用于 OR 操作。另一个有用的按位运算符是 XOR 运算的 ^。图 4 显示了 Circuit_2 模块的 Verilog 和 VHDL 描述。这样的比较可以帮助您了解这两种语言之间的差异和相似之处。

图 4.  Circuit_2 的 Verilog 和 VHDL 描述比较。

示例 3

对于我们的第三个也是最后一个示例，我们将为图 5 所示的原理图提供 Verilog 代码。

图 5.示例 3 的示意图。

如您所见，蓝色输入端口和红色输入端口之间存在一定的关系：对应的输入与 AND 运算符组合。结果分配给输出端口。在这种情况下，我们可以将信号分组并将它们视为向量。这使得代码紧凑且可读。

使用 Verilog 中的向量概念，我们可以轻松地扩展清单 1 中的代码来描述上述电路（参见下面清单 3 中的代码）。 

请注意，向量的索引范围可以是升序（如上使用的 [0:2]）或降序（[2:0]）。尽管上面使用了升序格式，但使用降序格式通常不太容易出错。这是因为降序样式符合我们的看法，即二进制数的最左边位置具有最高索引。请注意，向量也在 VHDL 中使用。

下面的图 6 显示了清单 3 中代码的 ISE 模拟。

图 6.示例 3 代码的 ISE 仿真。

在本文中，我们讨论了同时学习 VHDL 和 Verilog 是一个好主意，我们研究了 Verilog 模块的基本结构，并且我们熟悉了 Verilog “wire”数据类型及其向量形式。我们还简要介绍了 VHDL 和 Verilog 之间的一些区别。Verilog 系列的下一篇文章将讨论在 Verilog 中设计组合电路。

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