夏宇闻Verilog数字系统设计教程

Verilog数字系统设计教程

--建模、仿真、综合、验证和实现--北京航空航天大学夏宇闻2004年版课时安排和学习方法十次讲课每次2小时；五次实验每次4小时；一次上机实验考核加面试共4小时；课堂20+20+4=44小时，自己看书40小时共计84小时；理论与实践结合的学习方法；考核方法：认真听课20%；下课复习20%；实验课操作20%；最后考核40%讲课的主要内容复杂数字系统与信号处理的关系为什么要研究复杂的数字逻辑系统设计数字系统的基本方法设计复杂数字系统的工具和手段数字系统的基本结构Verilog语言的特点和基本语法讲课的主要内容Verilog模块和电路结构的关系两种不同的Verilog模块可综合模块的风格测试用模块的编写要点语法要点设计示例分析讲课的目的提醒书本上容易忽略的内容；指出重点和关键点；帮助同学理解书本上的难点；自己看书、上机练习为主；互相认识，以便交流。复杂数字系统与信号处理的关系--接口逻辑+专门设计的高速计算逻辑

数字信号处理、计算、程序

算法和硬线逻辑的基本概念

数字信号处理计算（Computing）算法和数据结构编程语言和程序体系结构硬线逻辑

数字信号处理的基本概念

现代电子系统设备中广泛使用了数字信号处理专用集成电路。用于数字信号传输中所必需的滤波、变换、加密、解密、编码、解码、纠检错、压缩、解压缩等操作。处理工作从本质上说都是数学运算。完全可以用计算机或微处理器来完成处理工作。计算（Computing）的基本概念

“Computing这门学问研究怎样系统地有步骤地描述和转换信息，实质上它是一门覆盖了多个知识和技术范畴的学问，其中包括了计算的理论、分析、设计、效率和应用。它提出的最基本的问题是什么样的工作能自动完成，什么样的不能。”（摘自Denningetal.,“ComputingasaDiscipline,”CommunicationofACM,January,1989）。算法和数据结构的基本概念

算法就是解决特定问题的有序步骤。数据结构就是解决特定问题的相应的模型。

编程语言和程序的基本概念

编程语言：程序员利用一种由专家设计的既可以被人理解，也可以被计算机解释的语言来表示算法问题的求解过程。这种语言就是编程语言。程序：由编程语言所表达的算法问题的求解过程就是。

常用的编程语言：C、Pascal、Fortran、Basic或汇编语言。计算机体系结构和硬线逻辑

的基本概念

计算机体系结构：是一门讨论和研究通用的计算机中央处理器如何提高运算速度性能的学问。硬线逻辑：由与门、或门、非门、触发器、多路器等基本逻辑部件造成的逻辑系统。数字信号处理系统的分类

非实时系统：

信号处理的工作是可以事后进行。实时系统：

信号处理的工作必须在规定的很短的时间内完成。

数字信号处理系统的实现

非实时系统：通用的计算机和利用通用计算机改装的设备，主要工作量是编写“C”程序。输入/输出数据大多为文本。

实时系统：信号处理专用的微处理器为核心的设备，主要工作量是编写汇编程序。输入/输出数据大多为数据流，直接用于控制。

实时数字信号

处理系统实现中存在的技术难点

算法问题。电路实现问题：

如果由最快的信号处理专用的微处理器为核心的设备也来不及处理如此大量的数据怎么办呢？

实时粥数字竟信号熄处盯理系煮统实嫌现中慎存在揉的技贱术难显点监和解勒决办前法算法明问题鞠。研村究并奥行快嘉速算晨法。电路叉实现牙问题咱：设计坝并研然制具啊有并茧行结炊构的帖数字谱和计者算逻拼辑结踏构和亚相应细的接希口逻盒辑。实时潮数字忌信号消处篇理系膨统实吧现中阶存在转的技迷术难爽点烟和解简决办域法电路钟实现抗的两吨个方筝向：FP稿GA专用脾集成劲电路实时提数字似信号送处田理系拜统实绪现中轻存在页的技青术难灭点罢和解胁决办膀法用于播信号乏处理努的FP贸GA和专绣用集慈成电路弱（AS根IC货）设计崭的方蜡法：Ve刺ri弃lo廊gHD悟L建模饶、仿海真、价综合蜓和全面协验证炸。为什介么要那研究尚复杂笨的数将字求逻辑状系统扩？什么律是复呈杂的鼠数字紧逻辑兵系统？嵌入密式微虎处理勿机系洁统数字已信号性处理骡系统高速骡并行贤计算裕逻辑高速塑通信秤协议话电路高速较编码时/解肆码、拍加密垂/解器密电猎路复杂量的多第功能顾智能拜接口门逻杀辑总克数超时过几脏万门纤达到绒几百亮甚至皆达几评千万门熔的数笨字系查统为什梳么要过设计况复杂蒜的涛数字唯逻辑邻系统展？对嵌营入式昂系统岔的性读能要宁求越面来越挣高-通用侮的微龟处理蓝机不括能满岁足要或求-硬件哨结构扔是提毁高系轨统总冻体性思能的姓关键-四软件揉只能括提高当系统贵的灵筋活性辱能-生军用庄系统疤的实粥时、歼高可谈靠、陡低功历耗要乌求-治系统激的功停能专驴一，飘但对简其各嫂种性畅能要摩求极踢高-钳降低和系统赤的设艰计和帜制造划成本设计歌数字高系统膛的基纵本方泥法传统惊的：藏线路建图现代飘的：方硬件碗描述引语言怎样仇设计突如此抄复杂拦的系糟统？传统吸的设广计方播法：-查用脆器件杨手册渴；-邀选用充合适箭的微抽处理咏器和纷电路斧芯片少；-咳设计浊面包仅板和锁线路粮板；-舅调试庆；-司定型结；-检设计犹复杂喂的系笔统（桌几十犁万门炼以上补）极膝其困档难。怎样普设计湿如此貌复杂穷的系士统？现代虏的设党计方职法：-选用咽合适浓的ED仔A仿真工具放；-选用麻合适电路产图输往入和暗HD递L编册辑工光具；-询逐个话编写株可综葱合H共DL绑模块跨；-彻逐个钉编写国HD劫L测庄试模她块；-补逐个尤做V朽er案il津og稠H寇DL术电绸路逻凭辑访浆真；-规编写毙Ve蜡ri额lo劫g严HD骆L总疲测试现模块得；-袄做系挑统电滨路逻兄辑总蜓仿真拐；怎样家设计灾如此营复杂模的系擦统？现代悟的设蚂计方缘瑞法（荐续前油）：-慈选用帽合适赤的基筒本逻菊辑元县件库饮和宏宇库-敌租用削或购滤买必济要的伟IP但核；-匙选用范合适灯的综朴合器杯；-偷进行凉综合刚得到携门级阴电路印结构你；-锣布局检布线经，得期到时舰延文财件；-迟后仿些真；-邻定型件，绸FP抽GA准编码侄或A霸SI方C投芝片To但p-杀Do吨wn设计毒思想系统级设计模块A

模块B

模块C

模块A1

模块A3

模块A2

模块C1

模块C3

模块C2

模块B2

模块B1

用ED危A设计粘数字筹系统罩的流逃程电路图设计文件HDL设计文件电路功能仿真

HDL功能仿真

HDL综合

确定实现电路的具体库名

布线后门级仿真

与实现逻辑的物理器件有关的工艺技术文件

优化、布局布线

电路制造工艺文件或FPGA码流文件

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VITAL系统级

算法级

寄存器传输级

逻辑门级

开关电路级

行为级的抽象

VerilogHDL与VHDL建模能力的比较

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恭a坐的操箱作,丛是旦与块卧内其鞭他赋值英语句孔同时篇完成纽奉的；-犬建议土在可鸭综合牛风格乓的模樱块中雅使用不阻蜓塞赋值舞。阻塞绣（bl倦oc阶ki秤ng缸)壁赋验值语弦句捷(进b疮=币a)：-能完成强该赋柄值语义句后第才能慕做下畅一句蚂的操毒作；-宪b摄的值畜立刻芬被赋逗成新帜值碑a;-判时序瓶电路陶中硬元件没肃有对缓应的夸电路垄，因场而综狠合结旗果未策知。数字挖系统搞的构收成组合但逻辑鱼（无慌记忆急）时序壶逻辑念（有夹记忆费）组合可逻辑球电路多路爱器加法吹器缓冲路器逻辑然开关总线逻辑待运算虚电路时序自逻辑剩电路计数乎器同步偷有限拦状态祖机运算咳控制风器总线北分配门器总结秘：用寄堡存器墙和组担合逻紧辑一今起组惩成的传有记件忆逻恩辑电轧路，以能与坛时钟井配合犬产生氧精确匀的控若制信炉号。数字症系统的的构湾成示伞意图同步有限状态机ena1ena2ena3enanclock组合逻辑1寄存器组组合逻辑2寄存器组组合逻辑3寄存器组组合逻辑4寄存器组in姥pu雀t_触1in港pu羞t_槐2in阀pu厨t_榆n组合逻辑勺设计要点组合鹊逻辑贼的两朵种Ve斤ri沃lo绪gHD退L表示：-用as积si扒gn语句扯：as尾si像gn恒q觉=暮(迁al间==刚1?弦)旅d:0;-用al袖wa名ys块：al渠wa付ys瞧@体(a搭l批or透d伟)be杠gi其nif蜻(义al造==饺1)功q竿=骑d哄;el凉se疯q渡=沈0;en妹d组合绣逻辑臭设计股要点组合沫逻辑渔的两计种Ve滨ri悠lo晴gHD某L表示：-用al牢wa黑ys块时花，没卸注意赖加el骗se语句峡：如：al化wa芳ys闸@关(a移l剂or滤d困)be疮gi剧n手if姿(收al慕==消1)赚q贞=乱d劣;en久d则：央此掩时生诱成的脏不是邪纯组吉合逻牲辑，袄因为微当al甚==起0时，q能保灯留原监来的喷值，卫所以赌生成的巾电路束中有棍锁存方器。组合酒逻辑姨设计恰要点用al扁wa义ys块时破，必蛛须注村意电顺平敏忘感的碗信号那表是乐否完傻全，闻如：al袖wa组ys坡@况(灾a溉or垂b唤o天r矛c磨or委d棕)be茂gi任nou肤t更=迟(a娇&同b畏&笨c机)意|笔(d引&于e避);en锈d此时望生成雷的不觉是纯骆组合蛇逻辑扛，因恐为当e变化池时，ou找t不能立罗即跟昼着变贩化。沸只有厌当a或b或c或d变化洪时e的变化榆后果秩才显桂示出胜来。涝可见什需要级有一绪个寄给存器枣来储王存e的变哪化。时序刷逻辑名设计久要点时序筑逻辑躺的Ve突ri梢lo迎gHD百L表示：-用al氧wa滚ys：如：al鄙wa列ys顽@衰(po爬se盗dg咬ecl晴oc孤k)if丙(豪!r减es辞et面)do私_r地es割et口;el盟se糊c战as越e(立st未at布e)st达at醋e_秘1:吉d辉o_静st近at贩e_健1;时序酒逻辑伏设计蹈要点(继缴续上河页）st痰at坏e_谈2:谁d矛o_钩st禁at抗e_湖2;st渐at百e_贸3:村d结o_能st宇at代e_异3;st狱at盟e_争4:惭d扭o_露st谁at幼e_失4;st距at逃e_详5:柏d踏o_婚st懂at难e_坝5;de钱fa堪ul偷t:威s织ta驴te项<靠=xx;en幅dc右as轰e时序呆逻辑蹄设计狮要点(继廉续上邻页）ta闹sk肺d村o_酿re梳se斜t;be东gi冰nRe外se舟t_息Ev诸er奸y_语Re洋gi就st谜er溪;Pr递ep心ar渗e_跳Fo盯r_战Ne仙xt障_S仰ta革te肠;en贞den惩dt巾as瘦k时序存逻辑闻设计蹦要点(继匆续上替页）ta挪sk层d埋o_畅st页at欣e_还1;be出gi肌n迈i会f染(C似on雕di卫ti菜on银_I振s_亭Tr艳ue壁)Sw坏it堂ch小_P嫩ro散pe等r_竹Co腐nt痒ro刑l_狗Lo订gi筑c;Pr摄ep艇ar杠e_迅Fo虚r_茂Ne定xt欠_S辉ta涉te坚;el谊se抬S德ta贫y_贵In番_O斑ri腿gi明na侦l_枝St阔at点e;en隆den牵dt屡as纲k时序衔逻辑嘱设计授要点(继款续上丘页）ta女sk京d博o_牢st馆at慢e_帜2;be隶gi报n孕if仪(绑Co罪nd旬it选io灾n_猜Is叉_T盒ru斗e)Sw扔it值ch编_P赌ro座pe梅r_双Co极nt彻ro贸l_坦Lo神gi摇c;Pr杂ep凯ar凑e_惯Fo买r_冒Ne扁xt趴_S逆ta屈te珠;el洽se饶S萌ta办y_吉In示_O伯ri何gi码na饥l_川St诱at锻e;en忠den防dt说as吵kVe弊ri络lo宾g模瓣块的吊种类疯和用貌途行为刊模块豪：-在仿粥真时惰其表立现的喇功能颠与某逼实体僚逻辑叼电路改完全一朝致的Ve奏ri拳lo真g役HD稻L渐模块古，但漆并没鸣有手沟段生成慕对应拔的门开级逻革辑电脑路与夺之对暂应。可综艺合模烈块：-睬可通养过综把合工酿具，忆自动煮地转唤换为门级战逻辑犯电路的持V面er税il慕og肢H改DL错模仅块。裤它的尊仿真浅可以愉在两个层肯次上沙进行坊，行夫为级匹和门蚀级。HD侍L行炼为模留块的剖功能行为旬模块放：-用于邀系统劝分割茧时验过证各赤部分乳的功耀能指警标分扣配是否铜合理；-骨在仿首真时用可用张于替掀代与基所设说计电恼路系雨统相忧连接的左现成壶可购烟得的喜外围仆电路洋；-箩用徐于产主生测相试信躁号和说数据足输入虹到所捷设计知电路系统呆并接圈收它停的应蒜答信贼号和早输出醋以验昼证其责功能。HD定L可镜综合槐模块芝的功隆能可综助合模押块：-挪想缸要设向计的慢用硬芽线逻程辑构丹成的访电路崇系统独；-号由购基本滨的逻械辑器锁件为厉基础桥所构柳成的张各种丛层次的结蹈构模粮块；-新综吴合器挎能理浅解并美能将抄其编遮译为四门级布逻辑招的模块；-垮对遭一般僵的综梁合器摘而言起，单荒纯的榆RT谢L级微Ve昌ri尼lo墨gHD马L模盘块以暖及闹RT途L即和结影构型塘混合荷HD乒L模捕块。为什袖么V训er落il谨og摇能支占持大充型设询计Ve矩ri闸lo集g语法授支持雷多层膊次多胞模块浙设计夕：-用次`in刺cl淹ud迟e宏指贸令可僵以在筒一个焦模块总中包鸣含多酱个模块；-翁在伯一个胁模块皂中可范以用咏实例咱调用换别的则模块恼中定且义的电路倚结构遥，构疾成多兄层次监模块凉；-芬在扩一个乌模块闪中可铅以用膊多个趣任务次和函箭数来乳表素达复项杂的状漆态机狗和结越构；-犹一蜡个设政计项光目往袖往由奔一个续顶层救测试彻模块获和多吴个可综合脑模块福和若膛干个浇外围密接口盏模块遵构成传。为什稼么V星er没il摇og待能支社持大绢型设锄计设计截项目醒举例牵：-my左pr腔oj巾ec员t-可综超合部虑分芽（我灵们想俊要设含计的土逻辑域电路挪部分缝）：-mk_1殿.v却,mk_2那.v圾,mk_3沫.v茶,犬..厚..傻.mk_8蝴.v-mk_1奖1.钞v,mk_1先2.酬v访,mk_1榜3.钟v.案..津..-mk_2夹1.禽v,mk_2分2.豪v,mk_2昆3.抛v卷..教..兵.-从..遵..胸..-mk_8吉1.肝v,mk_8穷2.见v,mk_8爽3.盯v溜..旷..咳.为什窝么V怜er嚷il闸og兆能支甩持大接型设表计设计版项目祝举例层：-my击pr盗oj许ec呀t-外围业部分谜：-ww_1伙.v丹,ww_2稼.v哲,ww_3贪.v锈,ww_4高.v符..元.-激励些部分医：-SG伍_1牢.v配,或S庄G_煎2.纠v搁..尚..-顶层鲜测试职模块反：-滑包括渠可综蠢合部屿分、驳外围县部分弦、激使励部股分-乖还包池括测翻试步蜓骤和弄输出歌文件街等。其他潮形式裁的户Ve汗ri享lo厉g施模块外围需部分指：-这部病分逻躺辑不路用综克合成源电路男，但湾为了涨验证竖我们的叠设计悄，像其行中为必贩须与轮真实帽器件层完全破一致。下面嫁我们踏介绍本一个踏简化戴的RA厦M模块斑，我增们所设计清的电食路用嘱到了曾该RA价M,但电豪路结讽构中考并不包忘括这显个RA握M。RA击M的顶Ve赶ri裹lo舌g通模块`t迫im虑es扰ca什le粮1我ns星/1唯nsmo秀du愚le阵r朽am胳(d隐at像a,ad毁dr,en露a,何re置ad信,扇wr答it状e)净;in漠ou西t[7朋:0浩]料da错ta网;in司pu晃t绵[9斑:0萌]ad臣dr;in印pu珠ten涂a,肺re配ad降,w阴ri飘te盆;re军g[7欠:0假]叛ra连m[回8法‘hf看f:槽0]酿;as株si司gn桨#驾20聋d摇at梳a馆=己(r恶ea炸d佣&&en自a)?循r枝am千[ad当dr]含:潜8瓜‘hz奴z;RA捏M的薄Ve同ri帅lo蒙g石模块（续上仪页）al床wa倦ys属@界(po搬se辆dg兰ewr丈it狠e)be失gi急n#1踢0炮r远am荷[ad乓dr]足<=者d澡at专a;en遵den碗dm掉od容ul席e激励乐源的碍Ve苹ri应lo津g役模块`ti抹me猪sc膊al茫e经1n都s/含1n仓s`d否ef垃in厅eti厉me过sl承ic鼓e20炭0mo吧du助lesi竹gs(ac莫k,c弦lo鄙ck励,r础ea哄d,芳wr罢it总e,ad愤dr,d晨at姜a)源;in暴pu录tac晕k;ou暖tp返ut衬c关lo费ck描,岂re照ad喜,甜wr区it难e;ou危tp叹ut邮[惑15喇:0拳]ad快dr;in新ou旁t[7旗:0遵]司da牧ta漫;re阵gcl永oc告k,禁r牺ea窃d,予w勉ri惩te旦;激励篇源的香Ve俊ri坝lo任g卷模块（续烂上页底）re口g[1叮5:纸0]ad塌dr;re祸gw_突r坝;坑//投us蛋ed错t常o毯re笼co混rd姐i俊f引re脸ad材o佛r拆wr丘it体ere没g[7社:0疏]Da虚ta贱To榨Ra肢m;能//烘us颂ed哪t面o灿st省ac昨k雕th尤e狂da钞taas总si危gn璃#1槽0代da条ta厅=连(罗w_船r)相?料‘hz伯z:Da缓ta漆To套Ra正m;in汁it锹ia耻lbe予gi另n痛cl万oc漆k火=赚0;晋w突_r通=丑0堡;Da疯ta筑To竟Ra洗m=0水;激励菌源的蜂Ve夫ri闻lo专g蒸模块(续者上页掏）ad舒dr=爽16输‘摇h简00替00少;董en老dal推wa追ys俭#垮(括`ti后me巨sl柔ic剖e/2遭)营cl快oc雾k甘=茫~田cl洪oc这k;al侮wa禁ys跟@绸(po润se况dg稠e转ac邻k)if遭(西w_姻r耍==稼0负)be桌gi本n汇#结(5凶*`ti潜me鼻sl向ic显e)难wr贷it乳e猪=康1;#悠(`ti纷me亦sl辰ic正e)们w写ri归te度=云0听;en只d激励亿源的巴Ve截ri挨lo梨g苦模块(续猫上页筹）el镇se刮b答eg吵in#抢(5糠*凤`ti允me散sl吉ic早e)砍re悄ad屠=泪1事;#宏(`ti砖me伪sl奶ic盆e)币re薄ad购=鞭0骗;en亏d