硬件描述語言Verilog HDL設(shè)計進階之： 邏輯綜合的原則以及可綜合的代碼設(shè)計風(fēng)格

4.5  邏輯綜合的原則以及可綜合的代碼設(shè)計風(fēng)格

4.5.1  always塊語言指導(dǎo)原則
使用always塊進行可綜合的代碼設(shè)計時需要注意以下幾個問題。

（1）每個always塊只能有一個事件控制“@(event-expression)”，而且要緊跟在always關(guān)鍵字后面。

（2）always塊可以表示時序邏輯或者組合邏輯，也可以用always塊既表示電平敏感的透明鎖存器又同時表示組合邏輯。但是不推薦使用這種描述方法，因為這容易產(chǎn)生錯誤和多余的電平敏感的透明鎖存器。

（3） 帶有posedge 或 negedge 關(guān)鍵字的事件表達式表示沿觸發(fā)的時序邏輯；沒有posedge 或negedge關(guān)鍵字的表示組合邏輯或電平敏感的鎖存器，或者兩種都表示。在表示時序和組合邏輯的事件控制表達式中如有多個沿和多個電平，其間必須用關(guān)鍵字“or” 連接 。

（4）每個表示時序邏輯的always塊只能由一個時鐘跳變沿觸發(fā)，置位或復(fù)位最好也由該時鐘跳變沿觸發(fā)。

（5）每個在always塊中賦值的信號都必需定義成reg型或整型。整型變量缺省為32bit，使用Verilog操作符可對其進行二進制求補的算術(shù)運算。綜合器還支持整型量的范圍說明，這樣就允許產(chǎn)生不是32位的整型量，句法結(jié)構(gòu)如下：

integer［<msb>:<lsb>］<identifier>。

（6）always塊中應(yīng)該避免組合反饋回路。每次執(zhí)行always塊時，在生成組合邏輯的always塊中賦值的所有信號必需都有明確的值；否則需要設(shè)計者在設(shè)計中加入電平敏感的鎖存器來保持賦值前的最后一個值。

只有這樣，綜合器才能正常生成電路。如果不這樣做，綜合器會發(fā)出警告，提示設(shè)計中插入了鎖存器。如果在設(shè)計中存在綜合器認為不是電平敏感鎖存器的組合回路時，綜合器會發(fā)出錯誤信息(例如設(shè)計中有異步狀態(tài)機時)。

用always塊設(shè)計純組合邏輯電路時，在生成組合邏輯的always塊中，參與賦值的所有信號都必須有明確的值，即在賦值表達式右端參與賦值的信號都必需在always @(敏感電平列表)中列出。
如果在賦值表達式右端引用了敏感電平列表中沒有列出的信號，那么在綜合時，將會為該信號產(chǎn)生一個隱含的透明鎖存器。這是因為該信號的變化不會立刻引起所賦值的變化，而必須等到敏感電平列表中某一個信號變化時，它的作用才顯現(xiàn)出來。

也就是相當于存在著一個透明鎖存器把該信號的變化暫存起來，待敏感電平列表中某一個信號變化時再起作用，純組合邏輯電路不可能做到這一點。這樣，綜合后所得電路已經(jīng)不是純組合邏輯電路了。這時綜合器會發(fā)出警告提示設(shè)計中插入了鎖存器，如下所示：

input a,b,c;
reg e,d;
always @(a or b or c) begin
      e = d & a & b;       //因為d沒有在敏感電平列表中,所以d變化時,e不能立刻變化,
                              //要等到a或b或c變化時才體現(xiàn)出來。這就是說實際上相當于存在
                              //一個電平敏感的透明鎖存器在起作用, 把d信號的變化鎖存其中
      d = e | c;
end

（7）對一個寄存器型（reg）或整型（integer）變量的賦值只允許在一個always塊內(nèi)進行，如果在另一always塊也對其賦值，這是非法的。
（8）把某一信號值賦為'bx，綜合器就把它解釋成無關(guān)狀態(tài)，因而綜合器為其生成的硬件電路最簡潔。

4.5.2  可綜合風(fēng)格的Verilog HDL模塊實例
1．組合邏輯電路設(shè)計實例

例4.6：8位帶進位端的加法器的設(shè)計實例（利用簡單的算法描述）。

module adder_8(cout,sum,a,b,cin);               //模塊聲明
      output cout;
      output ［7:0］ sum;
      input cin;
      input［7:0］ a,b;                             //端口聲明
      assign {cout,sum} = a + b + cin;          //加法器算法
endmodule

例4.7：指令譯碼電路的設(shè)計實例（利用電平敏感的always塊來設(shè)計組合邏輯）。

'define plus     3'd0                         //操作碼的宏定義
'define minus    3'd1
'define band     3'd2
'define bor      3'd3'
'define unegate  3'd4

module alu(out,opcode,a,b);                 //模塊聲明
      output ［7:0］ out;
      input ［2:0］ opcode;
      input ［7:0］ a,b;                       //端口聲明
      reg   ［7:0］ out;                      //寄存器聲明

      always @(opcode or a or b) begin       //用電平敏感的always塊描述組合邏輯
            case(opcode)
                  'plus: out = a + b;         //算術(shù)運算
                  'minus: out = a - b;
                  'band: out = a & b;          //位運算
                  'bor:  out = a | b;
                  'unegate: out = ~a;        //單目運算
                   default: out = 8'hx;
      endcase
      end
endmodule

例4.8：比較后重組信號的組合邏輯（利用task和電平敏感的always塊設(shè)計）。

module sort4(ra,rb,rc,rd,a,b,c,d);         //模塊聲明
      output ［t:0］ ra, rb, rc, rd;
      input ［t:0］ a, b, c, d;               //端口聲明
      reg ［t:0］ ra, rb, rc, rd;
      reg ［t:0］ va, vb, vc, vd;             //寄存器聲明
      parameter t=3;                            //參數(shù)聲明

      always @(a or b or c or d) begin       //用電平敏感的always塊描述組合邏輯
           {va,vb,vc,vd}={a,b,c,d};
           sort2(va,vc);                        //信號重組
           sort2(vb,vd);
           sort2(va,vb);
           sort2(vc,vd);
           sort2(vb,vc);
           {ra,rb,rc,rd}={va,vb,vc,vd};
      end

      task sort2;                             //x與y互換任務(wù)
            inout ［t:0］ x,y;
            reg ［t:0］ tmp;
            if(x > y) begin
                 tmp = x;               //使用臨時變量tmp保存x的值
                 x = y;
                 y = tmp;
      end
      endtask
endmodule

例4.9：比較器的設(shè)計實例（利用賦值語句設(shè)計組合邏輯）。

module compare(equal,a,b);              //模塊聲明
      output equal;
      input ［size-1:0］ a,b;            //端口聲明
      parameter size=1;                  //參數(shù)聲明
      assign  equal =（a==b）? 1 : 0;  //比較器
endmodule

例4.10：3-8譯碼器設(shè)計實例（利用賦值語句設(shè)計組合邏輯）。

module decoder(out,in);             //模塊聲明
      output ［7:0］ out;
      input ［2:0］ in;                 //端口聲明
      assign  out = 1'b1<<in;       //把最低位的1左移 in（根據(jù)從in口輸入的值）位
                                          //將移位結(jié)果賦予out
endmodule

例4.11：3-8編碼器的設(shè)計實例。
編碼器設(shè)計方案一。

module encoder1(none_on,out,in);            //模塊聲明
      output none_on;
      output ［2:0］ out;
      input ［7:0］ in;                         //端口聲明
      reg ［2:0］ out;
      reg none_on;                              //寄存器聲明
      always @(in) begin: local                //in有變化時，觸發(fā)
            integer  i;                           //變量聲明
            out = 0;
            none_on = 1;                         //初始化
            for( i=0; i<8; i=i+1 ) begin      //for循環(huán)語句
                 if( in［i］ ) begin         //將in中值為1的位編碼
                      out = i;
                      none_on = 0;
                 end
            end
      end
endmodule

編碼器設(shè)計方案二。

module encoder2 ( none_on,out2,out1,out0,h,g,f,e,d,c,b,a);     //模塊聲明
      input h,g,f,e,d,c,b,a;
      output none_on,out2,out1,out0;         //端口聲明
      wire ［3:0］ outvec;                      //向量聲明
      assign outvec =                           //使用assign語句實現(xiàn)輸出向量賦值
            h ? 4'b0111 : g ? 4'b0110 : f ? 4'b0101:
            e ? 4'b0100 : d ? 4'b0011 : c ? 4'b0010 :
            b ? 4'b0001 : a ? 4'b0000 : 4'b1000;
      assign none_on = outvec［3］;            //使用assign語句進行編碼
      assign    out2 = outvec［2］;
      assign    out1 = outvec［1］;
      assign    out0 = outvec［0］;
endmodule

編碼器設(shè)計方案三。

module encoder3 ( none_on,out2,out1,out0,h,g,f,e,d,c,b,a);     //模塊聲明
      input h,g,f,e,d,c,b,a;
      output none_on,out2,out1,out0;      //端口聲明
      wire ［3:0］ outvec;                    //向量聲明
      assign {none_on,out2,out1,out0} = outvec;   //與上例的編碼方式一致
      always @( a or b or c or d or e or f or g or h) begin
            if(h)       outvec=4'b0111;     //使用if_else語句實現(xiàn)向量賦值
            else if(g) outvec=4'b0110; //共9個分支，其中向量的低3位有8種編碼方式
            else if(f) outvec=4'b0101;
            else if(e) outvec=4'b0100;
            else if(d) outvec=4'b0011;
            else if(c) outvec=4'b0010;
            else if(b) outvec=4'b0001;
            else if(a) outvec=4'b0000;
            else         outvec=4'b1000;
      end
endmodule

例4.12：多路器的設(shè)計實例。

使用assign賦值語句、case語句或if-else語句可以生成多路器電路。如果條件語句（case或if-else）中分支條件是互斥的話，綜合器能自動地生成并行的多路器。
多路器設(shè)計方案一。

modul emux1(out,a,b,sel);                //模塊聲明
     output out;
     input a,b,sel;                         //端口聲明
                                               //使用assign語句檢查輸入信號sel的值
     assign out = sel ? a : b;            //當sel為1時，out為a；否則為b
endmodule

多路器設(shè)計方案二。

module  mux2( out,a,b,sel);          //模塊聲明
      output out;
      input a,b,sel;                    //端口聲明
      reg out;
      always @(a or b or sel) begin //用電平觸發(fā)的always塊來設(shè)計多路器的組合邏輯
            case( sel )                 //使用case語句檢查輸入信號sel的值
                1'b1: out = a;         //如果為1，輸出out為a
                1'b0: out = b;         //如果為0，輸出out為b
                default: out = 'bx;   //默認狀態(tài)
            endcase
      end
endmodule

多路器設(shè)計方案三。

module mux3( out,a,b sel);                 //模塊聲明
      output out;
      input a, b, sel;                       //端口聲明
      reg out;
      always @( a or b or sel ) begin
           if( sel )                          //使用if_else語句檢查輸入信號sel的值
                out = a;                      //如果為1，輸出out為a
           else
                out = b;                      //如果為0，輸出out為b
      end
endmodule

例4.13：奇偶校驗位生成器設(shè)計實例。

module parity( even_numbits,odd_numbits,input_bus);  //模塊聲明
      output even_numbits, odd_numbits;
      input ［7:0］ input_bus;                  //端口聲明
      assign odd_numbits = ^input_bus; //當input_bus中1的個數(shù)為奇數(shù)時，輸出為1
      assign even_numbits = ~odd_numbits;  //此時輸出even_numbits為0
endmodule

例4.14：三態(tài)輸出驅(qū)動器設(shè)計實例（用連續(xù)賦值語句建立三態(tài)門模型）。
三態(tài)輸出驅(qū)動器設(shè)計方案一。

module trist1( out,in,enable);            //模塊聲明
      output out;
      input in, enable;                     //端口聲明
      assign  out = enable? in: 'bz;      //使用assign語句判斷enable的值
endmodule

三態(tài)輸出驅(qū)動器設(shè)計方案二。

module trist2( out,in,enable );    //模塊聲明
      output out;
      input in,enable;                //端口聲明
      bufif1 mybuf1(out, in, enable); //bufif1是一個 Verilog門級原語（primitive）
                                         //通過實例化該原語，實現(xiàn)三態(tài)門的調(diào)用
endmodule

例4.15：三態(tài)雙向驅(qū)動器設(shè)計實例。

module bidir(tri_inout,out,in,en,b);         //模塊聲明
      inout tri_inout;
      output out;
      input in,en,b;                             //端口聲明
      assign tri_inout = en? in : 'bz;       //三態(tài)門的輸入為in
      assign out = tri_inout ^ b;             //三態(tài)門的輸出為b
endmodule

2．時序邏輯電路設(shè)計實例
例4.16：觸發(fā)器設(shè)計實例。

module dff( q,data,clk);                  //模塊聲明
      output q;
      input data,clk;                       //端口聲明
      reg q;
      always @( posedge clk ) begin      //邊緣檢測
            q = data;                        //通過always語句，實現(xiàn)觸發(fā)器
      end
endmodule

例4.17：電平敏感型鎖存器設(shè)計實例一（assign語句）。

module latch1( q,data,clk);                //模塊聲明
      output q;
      input data,clk;                        //端口聲明
      assign q = clk ? data : q;           //通過assign語句，實現(xiàn)的是一個鎖存器
endmodule

例4.18：帶置位和復(fù)位端的電平敏感型鎖存器設(shè)計實例二（assign語句）。

module latch2( q,data,clk,set,reset);   //模塊聲明
      output q;
      input data,clk,set,reset;           //端口聲明
      assign q= reset ? 0 : ( set? 1:(clk? data : q ) );
                                               //通過assign語句，實現(xiàn)的是一個鎖存器
                                               //其中，set為置位端，reset為復(fù)位端
                                               //在clk為高電平時，鎖存data，否則保持q值
endmodule

例4.19：電平敏感型鎖存器設(shè)計實例三（always塊）。

module latch3( q, data, clk);           //模塊聲明
      output q;
      input data,clk;                      //端口聲明
      reg q;
      always @(clk or data) begin       //電平檢測
            if(clk)                         //clk為高電平時，q鎖存data值
                  q = data;
      end
endmodule

  注意 有的綜合器會產(chǎn)生一個警告信息，提示將產(chǎn)生了一個電平敏感型鎖存器。因為此例中設(shè)計的就是一個電平敏感型鎖存器，所以這個警告信息是沒有問題的。

例4.20：移位寄存器設(shè)計實例。

module shifter( din,clk,clr,dout);         //模塊聲明
      input din,clk,clr;
      output ［7:0］ dout;                     //端口聲明
      reg ［7:0］ dout;
      always @(posedge clk) begin
            if(clr)                             //清零
                   dout = 8'b0;
            else begin
                   dout = dout<<1;             //左移一位
                   dout［0］ = din;             //把輸入信號放入寄存器的最低位
            end
      end
endmodule

例4.21：8位計數(shù)器設(shè)計實例一。

module counter1( out, cout, data, load, cin, clk);     //模塊聲明
      output ［7:0］ out;
      output cout;
      input ［7:0］ data;
      input load, cin, clk;                //端口聲明
      reg ［7:0］ out;
      always @(posedge clk) begin         //邊緣檢測
            if( load )                        //加載信號檢測
                 out = data;
            else
                 out = out + cin;
            end
      assign cout= & out & cin;           //只有當out［7:0］的所有各位都為1
                                               //并且進位cin也為1時才能產(chǎn)生進位cout
endmodule

例4.22：8位計數(shù)器設(shè)計實例二。

module counter2( out, cout, data, load, cin, clk);     //模塊聲明
      output ［7:0］ out;
      output cout;
      input ［7:0］ data;
      input load, cin, clk;                     //端口聲明
      reg ［7:0］ out;
      reg cout;
      reg ［7:0］ preout;                         //寄存器聲明
      always @(posedge clk) begin              //邊緣檢測
            out = preout;                         //觸發(fā)器
            end
      //計算計數(shù)器和進位的下一個狀態(tài)，為提高性能，load不應(yīng)影響進位
      always @( out or data or load or cin ) begin
            {cout, preout} = out + cin;        //進位操作
            if(load) preout = data;             //判斷加載信號
            end
endmodule