VerilogHDL实用教程部分习题答案

第一章VerilogHDL入门1.1什么是综合?答案：综合(Synthesis)是指将较高级抽象层级的设计描述自动转化为较低层级描述的过程。1.2功能仿真与时序仿真有什么区别?时序仿真与时序分析有何不同?答案：功能仿真(FunctionalSimulation)与时序仿真(TimingSimulation)的区别：功能仿真：功能仿真是一种基本的仿真方式，用于验证设计的逻辑功能是否正确。在功能仿真中，信号的变化不受时钟周期约束，只关注逻辑电路的功能实现，对信号的变化和时间没有严格要求。时序仿真：时序仿真是一种更加严格的仿真方式，考虑了时钟周期和时序约束。在时序仿真中，信号的变化要符合设计的时钟频率和时序约束，模拟了真实硬件中的时序行为，用于检测时序相关问题，如时钟抖动、时钟偏移等。时序仿真(TimingSimulation)与时序分析(TimingAnalysis)的区别：时序仿真：前面已经提到了，时序仿真是一种基于时钟周期和时序约束的仿真方式，用于验证设计在实际时钟条件下的工作情况，发现可能的时序问题。时序分析：时序分析是在设计阶段用于检查设计是否满足时序约束的过程。它包括对设计中的时钟路径进行分析，以确保信号在时钟到达之前稳定，并在时钟信号到达时采样正确。时序分析的目标是确保设计在实际硬件中能够按时钟约束正常工作。1.3下列标识符哪些是合法的、哪些是错误的?答案：Cout-合法的标识符，以字母开头，且其他字符都是字母。8sum-错误的标识符，以数字开头，标识符不能以数字开头。lab-错误的标识符，包含了非法字符。data-合法的标识符，只包含字母。wait-合法的标识符，只包含字母。initial-错误的标识符，initial是VerilogHDL中的关键字，不能用作标识符。$latch-合法的标识符，以$符号和字母开头，其他字符是字母。1.4下列数字的表示是否正确?答案：6'd18-正确的表示。这是一个六位十进制数。'Bx0-错误的表示。在VerilogHDL中，使用二进制表示时，应该是数字后跟'b'或'B'，而不是单引号后跟'B'。正确表示应该是5'b0。5'b0x110-错误的表示。在VerilogHDL中，使用二进制表示时，应该是数字后跟'b'或'B'，而不是数字后跟'0x'。正确表示应该是5'b110。'da30-错误的表示。'd'用于十进制表示，但是在这个表示中少了一个数字。正确表示应该是4'da30或者4'da3。10'd2-正确的表示。这是一个十进制数。'hzF-错误的表示。'h'用于十六进制表示，但是在这个表示中少了一个数字。正确表示应该是4'hF。1.5FPGA与ASIC在应用上各有何优势?答案：FPGA的优势：灵活性：FPGA是可编程的硬件，可以通过配置文件重新编程来实现不同的功能。这种灵活性使得FPGA非常适合于快速原型开发和快速迭代，特别适用于设计验证和验证阶段。可重构性：FPGA可以被多次重编程，使得在同一硬件上可以实现不同的功能，降低了开发成本和时间。适用于中小规模产量：FPGA相对于ASIC具有较低的开发成本，适合中小规模产量或者快速上市的产品。ASIC的优势：性能：ASIC由于定制化设计，可以专注于特定的任务和应用场景，因此在性能方面通常比FPGA更优秀。低功耗：ASIC可以优化电路设计，定制功耗与性能之间的平衡，从而实现较低的功耗，特别适用于依赖长期运行的高性能系统。高集成度：ASIC在硬件电路上进行定制设计，可以集成大量的功能模块，实现更高的集成度和更小的芯片尺寸。较低的成本：在大规模产量的情况下，ASIC可以降低每个芯片的成本，因为一旦设计完成后，可以通过批量生产来降低单个芯片的制造成本。1.6VerilogHDL对数字系统进行描述的层级有哪些?答案：行为级（BehavioralLevel）：行为级描述是最高层次的描述，它描述了数字系统的功能行为和操作，而不考虑具体的硬件实现细节。在这个层级上，主要使用模块、任务、函数、分支和循环等高级语句来描述数字系统的功能。数据流级（DataflowLevel）：数据流级描述关注信号之间的数据流关系和逻辑运算。在这个层级上，使用连续赋值语句，描述信号之间的逻辑关系，如逻辑门、逻辑运算和数据传输。结构级（StructuralLevel）：结构级描述关注数字系统的硬件结构和连接关系。在这个层级上，使用模块实例化、端口连接、电路连接等语句，描述数字系统中不同模块的互连关系和硬件结构。寄存器传输级（RegisterTransferLevel,RTL）：RTL层级描述是对数字系统进行最接近硬件实现的描述，它关注数字系统中寄存器之间的数据传输和时序逻辑。在这个层级上，使用时钟触发的赋值语句，描述时序逻辑、时钟触发的寄存器和数据传输。第二章数据类型2.1VerilogHDL数据类型有哪些?其物理意义是什么?答案：（1）reg：reg是最常用的数据类型之一，用于表示寄存器或存储器的数据。在仿真和综合时，reg类型被映射为硬件中的存储单元，用于存储信号的值。物理意义是存储器中的一位或多位存储单元。（2）wire：wire用于表示连线或信号传输线，用于连接模块之间的输入和输出。在仿真和综合时，wire类型被映射为硬件中的信号线。物理意义是连接模块之间的数据传输线。（3）integer：integer用于表示整数类型的数据。在仿真中，integer可以用于进行整数运算和计数。物理意义是整数类型的数据。（4）real：real用于表示浮点数类型的数据。在仿真中，real可以用于进行浮点数运算。物理意义是浮点数类型的数据。（5）time：time用于表示时间类型的数据。在仿真中，time可以用于控制仿真的时间单位和时钟周期。物理意义是时间类型的数据。（6）parameter：parameter用于定义常量或参数，可以在模块中重复使用。物理意义是用于设置模块参数的数据类型。（7）input和output：input和output分别用于表示模块的输入和输出端口，用于传递数据和信号。物理意义是模块的输入和输出端口。（8）reg型和wire型的向量数据类型（bit,byte,integer等）：这些是用于表示多位数据的类型，例如bit表示一个二进制位，byte表示8位二进制数等。物理意义是多位数据类型。2.2能否对reg型变量用assig语句进行连续赋值操作?答案：在VerilogHDL中，reg型变量可以使用assign语句进行连续赋值操作。assign语句用于在数据流级别描述信号之间的数据传输关系，它可以用于连接组合逻辑电路的输入和输出。2.3参数在设计中有什么用处?参数传递的方式有哪些?答案：（1）配置选项：参数可以用于配置模块的不同选项和功能，从而使模块更具灵活性和可配置性。（2）数值常量：参数可以用于定义常量或数值，例如时钟频率、数据位宽等。（3）地址映射：在硬件设计中，参数可以用于定义地址映射表，使得设计中的地址可以灵活地映射到不同的外设或内存地址。（4）端口数量：参数可以用于定义模块的输入和输出端口数量，从而实现模块的复用和可配置性。参数传递方式：位置参数传递、关键字参数传递、默认参数值。2.4用VerilogHDL定义如下变量和常量：①定义一个名为count的整数;②定义一个名为ABUS的8位wire总线;③定义一个名为address的16位reg型变量，并将该变量的值赋为十进制数128;④定义一个名为signreg8的8位带符号reg型变量;⑤定义参数DELAY，参数值为8;⑥定义一个名为delaytime的时间变量;⑦定义一个容量为128位、字长为32位的存储器MYMEM⑧定义一个2维(8x16)数组，其元素为8位wire型变量。//定义一个名为count的整数integercount;//定义一个名为ABUS的8位wire总线wire[7:0]ABUS;//定义一个名为address的16位reg型变量，并将该变量的值赋为十进制数128reg[15:0]address=16'd128;//定义一个名为sign_reg8的8位带符号reg型变量regsigned[7:0]sign_reg8;//定义参数DELAY，参数值为8parameterDELAY=8;//定义一个名为delay_time的时间变量timedelay_time;//定义一个容量为128位、字长为32位的存储器MYMEMreg[31:0]MYMEM[0:127];//定义一个2维(8x16)数组，其元素为8位wire型变量wire[7:0]my_array[0:7][0:15];2.5将本章的4位格雷码计数器示例改为8位格雷码计数器，并进行综合和仿真。答案：略。第三章表达式3.1在VerilogHDL的操作符中，哪些操作符的运算结果是1位的?答案：（1）逻辑运算符：NOT（~）：取反操作符，将一个信号取反，运算结果是1位。AND（&）：与操作符，对两个信号进行逻辑与运算，运算结果是1位。NAND（~&）：与非操作符，对两个信号进行逻辑与运算后取反，运算结果是1位。OR（|）：或操作符，对两个信号进行逻辑或运算，运算结果是1位。NOR（~|）：或非操作符，对两个信号进行逻辑或运算后取反，运算结果是1位。XOR（^）：异或操作符，对两个信号进行逻辑异或运算，运算结果是1位。XNOR（~^）：异或非操作符，对两个信号进行逻辑异或运算后取反，运算结果是1位。（2）位选择操作符：Bit-Select（[])：用于从一个信号中选择指定位的操作符，选择的位数是1位。（3）条件运算符（三目运算符）：ConditionalOperator（?:）：用于根据条件选择不同的结果，运算结果是1位。（4）常量：1'b0：表示1位的二进制0。1'b1：表示1位的二进制1。3.2能否对存储器进行位选和段选?答案：可以对存储器进行位选和段选。这通常是通过数组的方式来实现的。3.3 答案：1、0、0、0、1。3.4reg型变量的初始值一般是什么?答案：reg类型的变量在没有明确赋值时会被初始化为一个不确定的值（X值）。这意味着在仿真开始时，reg类型的变量可能会包含不确定的值，除非你在声明时明确地赋予初始值。这一点与硬件设计中的寄存器行为不同，因为硬件设计中，寄存器通常会有一个明确定义的初始值。3.5以下是一个索引段选的例子：reg[31:0]bigvect;big_vect[0+:8]big_vect[0+:8]如果表示为常数段选的形式，应该如何表示?答案：big_vect[0+:8]3.6实现4位二进制数和8位二进制数的乘法操作，其结果位宽至少需要多少位?答案：对于两个二进制数相乘，其结果的位宽至少需要两个输入数的位宽之和。假设我们有一个4位的二进制数和一个8位的二进制数相乘，结果位宽至少需要4位+8位=12位。因此，实现4位二进制数和8位二进制数的乘法操作，其结果位宽至少需要12位。3.7设计一个逻辑运算电路，该电路能对输入的两个4位二进制数进行与非、或非、异或、同或4种逻辑运算，并由一个2位的控制信号来选择功能。答案：moduleLogicOperations(input[3:0]A,B,//两个4位二进制数输入input[1:0]Ctrl,//2位控制信号输入outputreg[3:0]AND_NOT,//与非结果输出outputreg[3:0]OR_NOT,//或非结果输出outputreg[3:0]XOR,//异或结果输出outputreg[3:0]XNOR//同或结果输出);always@*begin//与非运算结果AND_NOT=A&(~B);//或非运算结果OR_NOT=A|(~B);//异或运算结果XOR=A^B;//同或运算结果XNOR=~(A^B);endendmodule3.8使用关系操作符描述一个比较器电路，该比较器可对输入的两个位二进制无符号数a和b进行大小比较，设置3个输出端口，当a大于b时，la端口为1，其余输出端口为0;当a小于b时，Ib端口为1，其余端口为0;当a等于b时，equ端口为1，其余端口为0。答案：下面是一个用关系操作符描述的比较器电路，可对输入的两个位二进制无符号数a和b进行大小比较，并设置对应的输出端口：```la=(a>b)?1:0;lb=(a<b)?1:0;equ=(a==b)?1:0;```其中，`la`表示a大于b的输出端口，`lb`表示a小于b的输出端口，`equ`表示a等于b的输出端口。在比较器电路中，通过使用关系操作符`>`、`<`和`==`，分别判断a是否大于b、小于b和等于b，并将对应的结果赋值给输出端口。如果条件成立，则相应的端口设置为1，否则设置为0。第四章门级和开关级建模4.1写出1位全加器本位和(SUM)的UDP描述。答案：modulefull_adder_sum(inputa,//输入位Ainputb,//输入位Binputcin,//输入进位outputsum//输出本位和(SUM));assignsum=a^b^cin;//本位和等于输入位A、B和进位的异或Endmodule4.2写出4选1多路选择器的UDP描述。答案：modulemux_4to1(input[3:0]data_in,//输入数据，4位宽度input[1:0]select,//选择信号，2位宽度outputregout//输出结果);always@*begincase(select)2'b00:out=data_in[0];//当select为2'b00时，输出为data_in[0]2'b01:out=data_in[1];//当select为2'b01时，输出为data_in[1]2'b10:out=data_in[2];//当select为2'b10时，输出为data_in[2]2'b11:out=data_in[3];//当select为2'b11时，输出为data_in[3]default:out=1'b0;//默认情况下输出为1'b0endcaseendEndmodule4.3采用例化VerilogHDL门元件的方式描述图4.13所示的电路。标注各个门的延时如下:①与非门(NAND)的上升延时为10ns。②或非门(NOR)的上升延时为12ns，下降延时为11ns。③异或门(XOR)的上升延时为14ns，下降延时为15ns。答案：略。4.4图414所示是2选1MUX门级原理图，请用例化门元件的方式描述该电路。答案：略。第五章数据流建模5.1用连续赋值语句描述一个8选1数据选择器。答案：modulemux_8to1(input[7:0]data_in_0,//输入数据0，8位宽度input[7:0]data_in_1,//输入数据1，8位宽度input[7:0]data_in_2,//输入数据2，8位宽度input[7:0]data_in_3,//输入数据3，8位宽度input[7:0]data_in_4,//输入数据4，8位宽度input[7:0]data_in_5,//输入数据5，8位宽度input[7:0]data_in_6,//输入数据6，8位宽度input[7:0]data_in_7,//输入数据7，8位宽度input[2:0]select,//选择信号，3位宽度outputreg[7:0]out//输出结果，8位宽度);always@*begincase(select)3'b000:out=data_in_0;//当select为3'b000时，输出为data_in_03'b001:out=data_in_1;//当select为3'b001时，输出为data_in_13'b010:out=data_in_2;//当select为3'b010时，输出为data_in_23'b011:out=data_in_3;//当select为3'b011时，输出为data_in_33'b100:out=data_in_4;//当select为3'b100时，输出为data_in_43'b101:out=data_in_5;//当select为3'b101时，输出为data_in_53'b110:out=data_in_6;//当select为3'b110时，输出为data_in_63'b111:out=data_in_7;//当select为3'b111时，输出为data_in_7default:out=8'b0;//默认情况下输出为8'b0endcaseendEndmodule5.2在VerilogHDL中，哪些操作是并发执行的?哪些操作是顺序执行的?并发执行的操作：并发执行是指同时执行多个操作或语句，这些操作之间没有明确的先后顺序，它们可以在同一时间片并行执行。在Verilog中，以下操作是并发执行的：模块实例化：当你在一个模块内实例化其他模块时，这些模块实例之间是并发执行的。模块实例在同一时间可以同时工作。连续赋值语句：连续赋值语句（assign语句）用于创建组合逻辑，它们之间是并发执行的。always_comb块：在SystemVerilog中，always_comb块用于表示组合逻辑。其中的语句也是并发执行的。always_latch块：在SystemVerilog中，always_latch块用于表示锁存逻辑。其中的语句也是并发执行的。顺序执行的操作：顺序执行是指按照代码的书写顺序依次执行操作，每个操作在前一个操作执行完成后才开始执行。在Verilog中，以下操作是顺序执行的：always块：在Verilog中，always块用于表示时序逻辑，其中的语句是按照代码的书写顺序依次执行的。在SystemVerilog中，有多种类型的always块，如always_ff（时钟触发块）和always_comb（组合块），它们是按照时序或组合的规则进行顺序执行。initial块：initial块用于在仿真开始时执行一次性初始化操作，其中的语句也是按照代码的书写顺序依次执行的。5.3采用数据流描述方式实现4位二进制减法器功能。答案：modulebinary_subtractor(input[3:0]A,//被减数，4位宽度input[3:0]B,//减数，4位宽度outputreg[3:0]result//结果，4位宽度);assignresult=A-B;//用连续赋值语句实现减法endmodule5.4实现四舍五入功能电路,当输入的1位8421BCD码大于4时输出为1,否则为0试编写VerilogHDL程序。答案：moduleround_circuit(input[3:0]bcd_in,//输入的1位8421BCD码，4位宽度outputreground_out//四舍五入的输出，1位宽度);always@*begin//对输入的BCD码加5//因为BCD码的最大值是9，所以加5后，结果范围是[5,14]//将加5的结果右移4位，得到BCD码的十位数，判断是否大于等于10round_out=(bcd_in+5)>>4;endEndmodule5.5设计功能类似74138的译码器电路，并进行综合。答案：略。5.6采用数据流描述方式实现8位加法器并进行综合和仿真。答案：moduleeight_bit_adder(input[7:0]A,//输入A，8位宽度input[7:0]B,//输入B，8位宽度outputreg[8:0]sum//输出和，9位宽度（因为可能有进位）);always@*begin//将输入A和B相加，并将结果赋值给sumsum=A+B;endEndmodule综合与仿真略。5.7试编写将有符号二进制8位原码转换成8位补码的电路，并进行综合和仿真。答案：modulesign_magnitude_to_twos_complement(inputsigned[7:0]signed_number,//输入有符号二进制8位原码outputreg[7:0]twos_complement//输出8位补码);always@*begin//判断输入数值的符号位if(signed_number[7]==1)begin//如果是负数，进行补码转换twos_complement=-signed_number;endelsebegin//如果是非负数，补码与原码相同twos_complement=signed_number;endendEndmodule综合与仿真略。5.8编写从补码求原码的VerilogHDL程序，输入是有符号的8位二进制补码数据。答案：moduletwos_complement_to_sign_magnitude(inputsigned[7:0]twos_complement,//输入有符号二进制8位补码outputregsigned[7:0]sign_magnitude//输出8位原码);always@*begin//判断输入补码的符号位if(twos_complement[7]==1)begin//如果是负数，进行补码转换sign_magnitude=-(twos_complement-1);endelsebegin//如果是非负数，原码与补码相同sign_magnitude=twos_complement;endendendmodule第六章行为级建模6.1用行为描述方式实现带异步复位端和异步置位端的D触发器。答案:moduled_ff_async_rst_set(inputclk,//时钟信号inputreset,//异步复位端inputset,//异步置位端inputd,//D输入端outputregq//输出端);always@(posedgeclkorposedgeresetorposedgeset)beginif(reset)//异步复位端优先级最高q<=1'b0;elseif(set)//异步置位端优先级次之q<=1'b1;else//否则根据D输入更新输出q<=d;endEndmodule6.2用行为描述方式设计JK触发器，并进行综合，K触发器带异步复位端和异步置位端。答案：modulejk_ff_async_rst_set(inputclk,//时钟信号inputreset,//异步复位端inputset,//异步置位端inputj,//J输入端inputk,//K输入端outputregq,//输出端outputregq_n//反相输出端);always@(posedgeclkorposedgeresetorposedgeset)beginif(reset)begin//异步复位端优先级最高q<=1'b0;q_n<=1'b1;endelseif(set)begin//异步置位端优先级次之q<=1'b1;q_n<=1'b0;endelsebegin//否则根据J、K输入更新输出if(j&&~k)q<=1'b1;elseif(~j&&k)q<=1'b0;endendalways@(posedgeclkorposedgeresetorposedgeset)beginq_n<=~q;//反相输出endendmodule6.3initial语句与always语句的区别是什么?答案：initial语句：initial语句用于进行一次性的初始化和仿真开始时的行为描述。initial语句只在仿真开始时执行一次，用于初始化变量、寄存器等。在硬件设计中，initial语句不会被综合到实际的硬件电路中，只在仿真过程中起作用。用于初始化信号、设置测试条件和仿真开始时的一些配置等操作。always语句：always语句用于描述持续性的行为，即在满足敏感列表条件时，循环执行其中的代码块。always语句中需要指定敏感列表，即用于触发执行的信号或时钟信号。在时序逻辑中，通常使用always@(posedgeclk)或always@(negedgeclk)来指定在时钟的上升沿或下降沿执行其中的代码。在组合逻辑中，使用always@(*)来指定在任何敏感信号变化时执行其中的代码。6.4编写同步模5计数器程序，有异步复位端和进位输出端。答案：modulemod_5_counter(inputclk,//时钟信号inputreset,//异步复位端outputregcarry_out//进位输出端);//计数器的当前值，4位宽度reg[3:0]count=4'b0000;always@(posedgeclkorposedgereset)beginif(reset)begin//异步复位时，计数器清零，进位输出为0count<=4'b0000;carry_out<=1'b0;endelsebegin//正常工作时，计数器加1，并根据模5判断是否产生进位count<=count+1;if(count==4'b0101)begincarry_out<=1'b1;//当计数器值为5时，产生进位，carry_out为1endelsebegincarry_out<=1'b0;//否则进位输出为0endendendendmodule6.5用行为语句设计8位计数器，每次在时钟的上升沿计数器加1，当计数器溢出时，自动从零开始重新计数，计数器有同步复位端。答案：moduleeight_bit_counter(inputclk,//时钟信号inputreset,//同步复位端outputreg[7:0]count//计数器输出，8位宽度);always@(posedgeclkorposedgereset)beginif(reset)begin//同步复位时，计数器清零count<=8'b0;endelsebegin//正常工作时，计数器加1，并处理溢出情况if(count==8'hFF)begin//当计数器达到最大值时，溢出，重新计数count<=8'b0;endelsebegincount<=count+1;endendendendmodule6.6分别编写4位串并转换程序和4位并串转换程序。答案：4位串并转换程序：moduleserial_to_parallel_converter(inputclk,//时钟信号inputreset,//同步复位端inputserial_in,//串行输入outputreg[3:0]parallel_out//并行输出，4位宽度);//计数器用于记录当前转换的位置reg[2:0]counter=3'b0;always@(posedgeclkorposedgereset)beginif(reset)begin//同步复位时，计数器清零counter<=3'b0;parallel_out<=4'b0;endelsebegin//正常工作时，根据时钟信号进行转换if(counter==3'b0)beginparallel_out<={serial_in,parallel_out[3:1]};//将串行输入串行地放入并行输出endcounter<=counter+1;endendEndmodule4位并串转换程序：moduleparallel_to_serial_converter(inputclk,//时钟信号inputreset,//同步复位端input[3:0]parallel_in,//并行输入，4位宽度outputregserial_out//串行输出);//计数器用于记录当前转换的位置reg[2:0]counter=3'b0;always@(posedgeclkorposedgereset)beginif(reset)begin//同步复位时，计数器清零counter<=3'b0;serial_out<=1'b0;endelsebegin//正常工作时，根据时钟信号进行转换if(counter==3'b0)beginserial_out<=parallel_in[0];//将并行输入的最低位放入串行输出endcounter<=counter+1;endendendmodule6.7用case语句描述4位双向移位寄存器。74LS194是4位双向移位寄存器采用16引脚双列直插式封装，其引脚排列如图6.16所示。74LS194具有异步清0、数据保持、同步左移、同步右移、同步置数等5种工作模式。CLR为异步清0输入，低电平有效，S1、S0为方式控制输入：S1S0=00时，74194工作于保持方式：S1S0=01时，74194工作于右移方式，其中DR为右移数据输入端，Q3为右移数据输出端；S答案：略。6.8用if语句描述四舍五入电路的功能，假定输入的是1位BCD码。答案：moduleround_circuit(input[3:0]in_bcd,//输入1位BCD码outputreg[3:0]out_bcd//四舍五入后的1位BCD码);always@*begin//对输入BCD码进行四舍五入处理if(in_bcd[3]==1'b0)begin//当输入BCD码的最高位为0时，不进行四舍五入，直接输出out_bcd=in_bcd;endelsebegin//当输入BCD码的最高位为1时，进行四舍五入处理if(in_bcd[2]||in_bcd[1]||in_bcd[0])begin//当输入BCD码的低3位中有任何一个为1时，进位，输出结果为10out_bcd=4'b1010;endelsebegin//当输入BCD码的低3位全为0时，不进位，输出结果为00out_bcd=4'b0000;endendendendmodule6.9试编写两个8位二进制有符号数相减的VerilogHDL程序。答案：使用always块实现有符号数相减：modulesigned_subtractor(inputsigned[7:0]a,//输入有符号数ainputsigned[7:0]b,//输入有符号数boutputregsigned[7:0]result//输出结果);always@*beginresult=a-b;//使用减法运算符进行有符号数相减endEndmodule使用assign语句实现有符号数相减：modulesigned_subtractor(inputsigned[7:0]a,//输入有符号数ainputsigned[7:0]b,//输入有符号数boutputregsigned[7:0]result//输出结果);assignresult=a-b;//使用减法运算符进行有符号数相减endmodule第七章层次结构7.1分别用结构描述和行为描述方式设计一个基本的D触发器。在此基础上采用结构描述的方式用8个D触发器构成8位移位寄存器。答案：结构描述方式设计基本的D触发器：moduled_flip_flop(inputclk,//时钟信号inputd,//D输入inputreset,//复位信号outputregq//输出);always@(posedgeclkorposedgereset)beginif(reset)q<=1'b0;elseq<=d;endendmodule结构描述方式设计8位移位寄存器：moduleshift_register_8bit(inputclk,//时钟信号input[7:0]d,//8位D输入inputreset,//复位信号outputreg[7:0]q//8位输出);wire[7:0]q_temp;d_flip_flopff[7:0](.clk(clk),.d(d[0]),.reset(reset),.q(q_temp[0]));genvari;generatefor(i=1;i<8;i=i+1)begind_flip_flopff_inst(.clk(clk),.d(d[i]),.reset(reset),.q(q_temp[i]));endendgeneratealways@*beginif(reset)q<=8'b0;elseq=q_temp;endendmodule7.2带置数功能的4位循环移位寄存器电路如图7.8所。当lad为1时，将4位数据d0d1d答案：略。7.374161是异步复位/同步置数的4位计数器，图7.9是由74161构成的模11计数器，试完成下述任务:①用VerilogHDL设计实现74161的功能②用模块例化的方式实现图7.9所示的模11计数器。答案：略。7.4用VerilogHDL或用IP核设计实现异步FIFO(FirstInFirstOut)缓存器，FIFO缓存器具有异步复位端(rstn)低电平有效具有写时钟端口(wclk)读时钟端口(rclk)具有数据满(full)空(empty)标识，数据位宽为8位，深度为1024。答案：moduleasync_fifo(inputwireclk,inputwirerst_n,//异步复位端（低电平有效）inputwirewclk,//写时钟端口inputwirerclk,//读时钟端口inputwirewr_en,//写使能信号inputwirerd_en,//读使能信号inputwire[7:0]data_in,//输入数据位宽为8位outputreg[7:0]data_out,//输出数据位宽为8位outputregfull,//数据满标识outputregempty//数据空标识);parameterDEPTH=1024;//FIFO深度reg[7:0]fifo[0:DEPTH-1];//FIFO缓冲区reg[9:0]write_ptr=10'b0;//写指针，10位宽度可以表示0到1023的地址reg[9:0]read_ptr=10'b0;//读指针always@(posedgeclkornegedgerst_n)beginif(~rst_n)begin//异步复位时，清空FIFO缓冲区，指针复位for(inti=0;i<DEPTH;i=i+1)beginfifo[i]<=8'b0;endwrite_ptr<=10'b0;read_ptr<=10'b0;full<=1'b0;empty<=1'b1;data_out<=8'b0;endelsebegin//写操作if(wclk&&wr_en)beginfifo[write_ptr]<=data_in;write_ptr<=write_ptr+1;if(write_ptr==DEPTH-1)write_ptr<=10'b0;empty<=1'b0;if(write_ptr==read_ptr)full<=1'b1;end//读操作if(rclk&&rd_en)begindata_out<=fifo[read_ptr];read_ptr<=read_ptr+1;if(read_ptr==DEPTH-1)read_ptr<=10'b0;full<=1'b0;if(read_ptr==write_ptr)empty<=1'b1;endendendendmodule7.5generate语中的循环控制变量(索引变量)应该定义为什么数据类型?试举例说明。答案：在generate语句中的循环控制变量（索引变量）应该定义为genvar数据类型。genvar是一种特殊的数据类型，用于在generate块中循环生成实例或生成代码。它只能在generate块中使用，并且不能用于仿真或运行时。例子：moduleexample_module(inputwire[7:0]data,outputreg[7:0]result);//这里是模块的具体功能always@*beginresult=data+1;endendmodulemoduletop_module;//使用generate块循环生成8个example_module实例generategenvari;for(i=0;i<8;i=i+1)beginexample_moduleexample_inst(.data(8'b0000_0001<<i),.result(result[i]));endendgenerate//这里可以继续编写其他逻辑//输出结果reg[7:0]result[7:0];endmodule第八章任务函数8.1任务和函数的不同点有哪些?答案：任务（Task）：任务是一种过程性结构，用于执行一系列操作或语句，并且没有返回值。任务通常用于对系统进行建模、模拟和控制，以及执行不需要返回值的操作。任务在被调用时通过fork...join或begin...end进行调用，并且执行的代码块在调用点之后立即开始执行。任务可以有输入和输出参数，但不返回值。任务中可以包含时序控制（例如@(posedgeclk)）和条件语句（例如if...else）等。函数（Function）：函数是一种组合逻辑结构，用于根据输入参数计算并返回一个值。函数通常用于执行一系列计算操作，然后返回一个结果值，可在表达式中使用。函数在调用时通过在赋值语句或表达式中直接调用进行调用，并且在调用点处用函数返回值替换调用。函数有输入参数，并通过return语句返回结果值。函数不能包含时序控制或对模块内其他信号的更新。总结：任务用于执行一系列操作，没有返回值，通常用于模拟和控制。函数用于执行计算并返回结果，可以在表达式中使用，不能包含时序控制。8.2分别用任务和函数描述一个4选1MUX。答案：使用任务描述4选1MUX：modulemux_4to1_task(input[3:0]data_in,//4位输入数据input[1:0]sel,//2位选择信号outputregdata_out//输出结果);//任务：实现4选1MUX功能taskmux_4to1;input[3:0]in;input[1:0]s;outputregout;begincase(s)2'b00:out=in[0];2'b01:out=in[1];2'b10:out=in[2];2'b11:out=in[3];endcaseendendtask//在时序块中调用任务always@*beginmux_4to1(data_in,sel,data_out);endendmodule使用函数描述4选1MUX：modulemux_4to1_function(input[3:0]data_in,//4位输入数据input[1:0]sel,//2位选择信号outputregdata_out//输出结果);//函数：实现4选1MUX功能functionregmux_4to1(reg[3:0]in,reg[1:0]s);case(s)2'b00:mux_4to1=in[0];2'b01:mux_4to1=in[1];2'b10:mux_4to1=in[2];2'b11:mux_4to1=in[3];endcaseendfunction//在时序块中调用函数always@*begindata_out=mux_4to1(data_in,sel);endendmodule8.3用函数实现一个用7段数码管交替显示26个英文字母的程序，自定义字符的形状。答案：moduleseven_segment_mux(inputwireclk,//时钟信号outputwire[6:0]seg,//七段数码管输出outputwireanode//数码管阳极控制信号);reg[25:0]counter=0;//计数器，用于选择显示的字符//26个英文字母的自定义形状（A到Z）parameter[6:0]alphabet[0:25]={7'b111_0111,//A7'b011_1000,//B7'b111_0000,//C//其他字符形状省略，依次为D到Z//...7'b000_0000//Z};function[6:0]get_segment_output;input[25:0]count;begincase(count%26)0:get_segment_output=alphabet[0];//A1:get_segment_output=alphabet[1];//B2:get_segment_output=alphabet[2];//C//其他字符形状省略，依次为D到Z//...default:get_segment_output=7'b000_0000;//Zendcaseendendfunctionalways@(posedgeclk)begincounter<=counter+1;//计数器递增endassignseg=get_segment_output(counter);//根据计数器选择显示字符assignanode=1'b1;//数码管共阳极连接，始终为高电平endmodule8.4用函数实现一个16位数据的高低位转换最高有效位转换为最低有效位，次高位转换为次低位以此类推。答案：modulebit_reversal(inputwire[15:0]data_in,//16位输入数据outputreg[15:0]data_out//16位输出数据);function[15:0]reverse_bits(input[15:0]data);reg[15:0]result;beginfor(inti=0;i<16;i=i+1)beginresult[i]=data[15-i];endreverse_bits=result;endendfunction//在时序块中调用函数always@*begindata_out=reverse_bits(data_in);endendmodule8.5系统任务$strobe和$monitor有何区别?答案：$monitor：$monitor是一个全局任务，可以在任何地方使用。当被调用时，$monitor会在仿真过程中持续监视指定的变量，并在变量的值发生变化时，立即输出相应的调试信息。它在整个仿真过程中一直运行。$monitor语句会输出带有时间戳的信息，并且输出格式在仿真开始时就确定了。它常用于调试和查看信号的变化情况。$strobe：$strobe是一个局部任务，只能在模块的initial块或always块中使用。当被调用时，$strobe会在调用点输出指定的变量的当前值，输出后立即结束。$strobe语句不会输出时间戳信息，仅输出当前时刻的信号值。它通常用于输出特定时刻的信号值，以便进行调试。8.6可否用Sdisplay系统任务来显示非阻塞赋值的变量输出值?为什么?答案：不可以使用$sdisplay系统任务来显示非阻塞赋值（NonblockingAssignment）的变量输出值。原因是$sdisplay是一个在仿真中用于显示调试信息的系统任务，而非阻塞赋值是用于在硬件描述中进行并行赋值的方法。这两者在用途和时机上有所区别，因此不能直接混用。$sdisplay系统任务用于在仿真时输出调试信息，特别是在时序块（如always块）内部，可以实时查看变量的值。它主要用于仿真调试，对于输出和查看仿真过程中的信号值很有帮助。而非阻塞赋值是在VerilogHDL代码中用于并行赋值的方式，它用于在同一个时间步骤内同时更新多个信号的值，常用于时序逻辑中的寄存器和组合逻辑中的多位信号赋值。它是一种并发赋值方式，用于描述硬件的行为。在仿真过程中，非阻塞赋值是在同一时间步骤内同时完成的，并不会立即反映在$sdisplay输出的调试信息中。因此，如果想要查看非阻塞赋值后的变量输出值，最好使用$monitor系统任务，或者在适当的地方使用阻塞赋值来观察信号值的变化。$monitor会持续监视变量的值，并在变化时输出信息，更适用于查看变量的实时更新情况。8.7用任务完成无符号数的大小排序，设a、b、c、d是4个8位无符号数，按从小到大的顺序重新排列并输出到4个寄存器中存储。答案：moduleunsigned_sort(inputwire[7:0]a,//输入无符号数ainputwire[7:0]b,//输入无符号数binputwire[7:0]c,//输入无符号数cinputwire[7:0]d,//输入无符号数doutputreg[7:0]sorted_a,//排序后的无符号数aoutputreg[7:0]sorted_b,//排序后的无符号数boutputreg[7:0]sorted_c,//排序后的无符号数coutputreg[7:0]sorted_d//排序后的无符号数d);//任务：无符号数排序taskunsigned_sort_task;input[7:0]x,y,z;outputreg[7:0]sorted_x,sorted_y,sorted_z;beginif(x<=y&&x<=z)beginsorted_x=x;if(y<=z)beginsorted_y=y;sorted_z=z;endelsebeginsorted_y=z;sorted_z=y;endendelseif(y<=x&&y<=z)beginsorted_x=y;if(x<=z)beginsorted_y=x;sorted_z=z;endelsebeginsorted_y=z;sorted_z=x;endendelsebeginsorted_x=z;if(x<=y)beginsorted_y=x;sorted_z=y;endelsebeginsorted_y=y;sorted_z=x;endendendendtask//在时序块中调用任务always@*beginunsigned_sort_task(a,b,c,sorted_a,sorted_b,sorted_c);sorted_d=d;//无需排序，直接将d存储到sorted_d中endendmodule8.8编写个VerilogHDL任务，生成偶校验位。输入是一个8位数据，输出是一个包含数据和偶校验位的码字。答案：moduleeven_parity_generator(inputwire[7:0]data_in,//8位输入数据outputreg[8:0]codeword//输出码字（包含数据和偶校验位）);//任务：生成偶校验位taskgenerate_even_parity;input[7:0]data;outputregparity_bit;reg[7:0]data_reg;begindata_reg=data;//使用一个寄存器保存输入数据parity_bit=1'b0;//初始化偶校验位为0//计算数据中1的个数for(inti=0;i<8;i=i+1)beginparity_bit=parity_bit^data_reg[i];endendendtask//在时序块中调用任务，并将结果存储到输出码字中always@*begingenerate_even_parity(data_in,codeword[7]);//生成偶校验位codeword[6:0]=data_in;//将输入数据存储到输出码字的低7位codeword[8]=codeword[7];//将偶校验位存储到输出码字的最高位endendmodule8.9编写一个VerilogHDL函数，实现求输入向量补码的功能，使用comp2(vect，N形式进行调用其中vect是输入的8位有符号二进制数，N是其位宽。答案：moduletest_module;//声明函数原型functionsigned[N-1:0]comp2;input[N-1:0]vect;outputregsigned[N-1:0]result;endfunctionintegerN=8;//位宽//在时序块中调用函数always@*beginresult=comp2(vect,N);end//实现函数functionsigned[N-1:0]comp2;input[N-1:0]vect;beginif(vect[N-1]==1'b0)//如果最高位是0，表示输入向量为正数comp2=vect;else//如果最高位是1，表示输入向量为负数，求补码comp2=~vect+1;endendfunctionendmodule8.10使用for循环语句对一个深度为16(地址从0~15)位宽为位的存储器(寄存器类型数组)进行初始化，把所有单元初始值赋为0，存储器命名为cache。答案：modulememory_init;reg[7:0]cache[0:15];//定义深度为16，位宽为8位的存储器cacheinitialbegin//使用for循环对存储器进行初始化for(inti=0;i<16;i=i+1)begincache[i]=8'b0;//将所有单元的初始值赋为0endend//在这里可以使用存储器cache进行读写操作endmodule第九章TestBench测试与时序检查9.1什么是仿真?仿真一般分为哪几种?答案：仿真是通过计算机程序模拟电子系统或数字电路的行为和功能的过程。在硬件设计中，仿真是一种重要的验证和调试工具，它可以帮助设计人员检查设计是否正确，验证功能是否符合预期，并发现潜在的问题和错误。①行为仿真②时序仿真③静态时序分析④断言仿真⑤混合仿真。9.2什么是测试平台?测试平台有哪几个组成部分?答案：测试平台是用于测试和验证硬件设计的环境或框架。它提供了一系列工具、硬件和软件资源，用于对设计进行仿真、验证和测试，以确保设计的正确性和性能满足预期要求。测试平台通常由以下几个组成部分组成：（1）开发板或FPGA：测试平台通常包含一个用于加载设计的开发板或FPGA。这是硬件设计的目标平台，用于将设计加载到硬件中进行测试和验证。（2）仿真工具：测试平台需要提供仿真工具，用于对设计进行功能仿真和验证。常见的仿真工具包括ModelSim、VCS、NCVerilog等。通过仿真工具，设计人员可以在计算机上运行设计，模拟其行为和功能。（3）静态时序分析工具：静态时序分析工具用于在设计综合后进行时序分析。它能够预测设计在不同时钟频率下的最大工作频率、最小延迟和最大延迟等重要时序参数，以帮助设计人员满足时序约束和优化性能。（4）断言验证工具：断言验证工具用于创建和执行断言，用于检查设计是否满足预期规范。断言是一种形式化的规范，描述设计的期望行为，断言验证工具能够自动验证设计是否符合这些规范。（5）验证测试台和测试程序：验证测试台是一组测试用例和测试程序，用于对设计进行全面的功能验证。测试台可以通过仿真工具或在硬件平台上运行，用于验证设计的各种功能和场景。（6）配置和控制接口：测试平台需要提供配置和控制接口，用于对设计进行加载、配置和控制。这些接口可以是JTAG、SPI、UART等，用于与开发板或FPGA进行通信和控制。（7）环境支持：测试平台需要提供适当的环境支持，包括操作系统、驱动程序和开发工具等，以方便设计人员进行开发和调试。9.3时序检查和时序仿真两个概念有何区别?答案：定义：时序检查：时序检查是在综合后对设计进行静态时序分析的过程。它不执行实际的时钟周期仿真，而是通过对综合后的网表进行分析，预测电路在不同条件下的最大工作频率、最小延迟和最大延迟等重要时序参数，以帮助设计人员满足时序约束和优化性能。时序仿真：时序仿真是一种动态的仿真方法，它通过实际的时钟周期仿真来模拟电路的时序行为。在时序仿真中，电路的时钟和输入信号的时序关系被模拟，以检查电路在特定时钟频率下的正确性和性能。仿真对象：时序检查：时序检查的对象是综合后的网表级别的设计。它主要用于预测设计在不同条件下的时序性能，例如最大工作频率和时序违规。时序仿真：时序仿真的对象是设计的高级描述（如Verilog或VHDL代码）。它模拟电路的时序行为，并用于验证电路的正确性和性能。时序约束：时序检查：时序检查通常用于检查设计是否满足预先设定的时序约束，例如时钟频率、输入输出延迟等。时序检查会根据这些约束，预测电路的时序性能，并给出设计是否满足要求的评估。时序仿真：时序仿真不仅考虑时序约束，还模拟电路在不同时钟周期下的实际行为。它能够验证设计的功能和时序性能，并检查是否存在时序违规和其他错误。9.4写出产生占空比为1/4的时钟信号的试程序。答案：9.5编写一个时钟波形产生器，产生正脉冲宽度为15ms、负脉冲宽度为10ns的时钟波形，分别用always语句和initial语句完成本设计。答案：moduleclock_generator(inputwireclk_in,//输入时钟信号outputregclk_out//输出产生的占空比为1/4的时钟信号);reg[1:0]counter;//2位计数器，用于计数时钟周期parameterCOUNT_MAX=3;//计数器最大值，产生4个周期的占空比为1/4的时钟信号always@(posedgeclk_in)begincounter<=counter+1;//每次时钟上升沿计数器加1if(counter>=COUNT_MAX)begincounter<=0;//达到最大值时，计数器清零clk_out<=~clk_out;//改变输出时钟信号的状态，即产生1/4占空比时钟endendendmodule9.6编写一个模10计数器程序(含异步复位端)，编写TestBench测试程序并对其进行仿真。答案：使用always语句实现时钟波形产生器：moduleclock_generator_always(outputregclk_out//输出时钟信号);parameterPOSITIVE_WIDTH=15000;//正脉冲宽度为15ms，单位：nsparameterNEGATIVE_WIDTH=10;//负脉冲宽度为10ns，单位：nsalways@(posedgeclk_outornegedgeclk_out)beginif(~clk_out)begin#NEGATIVE_WIDTH;clk_out<=1'b1;//负脉冲结束，将时钟信号设为1endelsebegin#POSITIVE_WIDTH;clk_out<=1'b0;//正脉冲结束，将时钟信号设为0endendinitialclk_out=1'b0;//初始时钟信号为0endmodule使用initial语句实现时钟波形产生器：moduleclock_generator_initial(outputregclk_out//输出时钟信号);parameterPOSITIVE_WIDTH=15000;//正脉冲宽度为15ms，单位：nsparameterNEGATIVE_WIDTH=10;//负脉冲宽度为10ns，单位：ns