我的Verilog学习笔记..

Verilog学习笔记1.我的第一个verilog程序：三态门module three_status_device(in,out,oe);input in,oe;output out;assign out = (oe)? in : 1'bz;endmodule其中oe为输出有效端，当oe置高则输入能顺利通过，否则输出高阻态。

查看Technology Schematic后可知three_status_device模块使用的FPGA内部资源：分别是输入缓冲器IBUF，非门INV和三态缓冲器OBUFT。

我们还可以通过View Synthesis Report来观察到底使用了多少资源：我们可以看出所选的芯片类型为V5系列的fx100，SPEED等级为-2，使用了1个查找表，1个Flip Flop触发器和3个IO口。

由于模块比较简单，我们直接进入后仿真阶段；最后，我们可以通过中的View HDL InstantiationTemplate看到生成的HDL模板供我们调用实例：three_status_device instance_name (.in(in),.out(out),.oe(oe));小结：通过设计三态门，熟悉了verilog开发的主要流程和ise中的常用工具。

反思：对于高阻态，一般FPGA内部是不支持判断的。

现在有些比较新的FPGA内部已经带有BUFT三态门让用户直接调用（在IOB中），而对于市面上常用的FPGA则无法做到，因为内部并没有BUFT三态门，所以就需要用到slice资源中的MUX复用器，用MUX除了多占用LC/LE的资源以外，受控信号（如数据总线等）会随着驱动源的增加而使延时加大。

也有说法是使用RAM或ROM的总线结构提供高阻态的输出。

在FPGA开发时，一般将不用的IO口设置为三态状态，如果IO口较多的时候既占用连线资源也占用slice资源，对系统产生延迟。

2.组合逻辑：有毛刺怎么办？引用《数字电路基础》的描述，当一个逻辑门的两个输入端的信号同时向相反方向变化，而变化的时间有差异的现象，称为竞争。

由竞争而可能产生的输出干扰脉冲的现象就叫做冒险，也就是通俗上说的毛刺。

书上还给出了常用的消除竞争冒险的方法：○1消除互补相乘项：通过人为优化逻辑表达式，消去同一信号的同反相同时存在项，降低竞争的发生几率。

○2增加乘积项避免互补项相加：若组合逻辑表达式中，在某些信号取一定值的情况下，表达式可化为一个信号的同反相同时相乘或相加时，则需要人为加入相乘项以确保此时输出状态的稳定。

那么在verilog如何实现消除毛刺呢？信号在fpga器件中通过逻辑单元连线时，一定存在延时。

延时的大小不仅和连线的长短和逻辑单元的数目有关,而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。

因此,信号在器件中传输的时候,所需要的时间是不能精确估计的，当多路信号同时发生跳变的瞬间,就产生了“竞争冒险”。

这时，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号就是“毛刺”。

另外，由于fpga以及其它的cpld器件内部的分布电容和电感对电路中的毛刺基本没有什么过滤作用，因此这些毛刺信号就会被“保留”并传递到后一级，从而使得毛刺问题更加突出。

尽管毛刺持续时间很短，但在高速电路中，这样的毛刺足以使后一级电路产生“误动作”。

要消除毛刺，我们先要了解FPGA内部毛刺的具体特点：由于布线延迟，和器件延迟，取决于FPGA内部结构，这个涉及到约束问题，/shineboy19850420/blog/09-10/178252_efbd3.html，由于接触不多，不在此进行讨论。

通过阅读资料，可以知道大多数毛刺都比较短（大概几个纳秒），只要毛刺不出现在时钟跳变沿，毛刺信号就不会对系统造成危害。

FPGA中消除毛刺的常用方法是：1.触发器输出通过添加触发器，使输出信号在clk跳变沿进行读取，并输出，能有效地降低毛刺的发生几率。

但这样的话，延时也就增大。

但是，毛刺的产生是不定时的，如果毛刺在时钟跳变时期产生，则使用触发器的方法无法解决问题。

2.信号延时法信号延时法，顾名思义，延时信号处理时期，等待信号稳定时再对数据进行处理。

它的具体做法有很多：○1信号延时检测信号延时方法很多，如使用门级电路延时，fpga的专用延时单元lcell，毛刺的产生随机性，单凭延时是无法解决问题的。

○2时钟延时像使用触发器的原理类似，通过增加时钟计数器，对时钟进行分频，加大时钟间隔，来保证对信号进行处理的时候信号已经稳定；或者为防止在信号检测时钟跳变时，信号发生变化，延时对信号检测时间，比如加入标志位寄存器，信号跳变后的下一个检测时钟对其检测。

这针对检测时期瞬变信号导致检测错误的方法。

○3状态机检测使用状态机对信号进行多次检测，首先第一次检测信号，进入下一状态，再次检测信号并与前面进行比较，如果不同则重新开始检测知道检测一定次数后确定信号不变动后，进行数据处理。

这种方法结合了上述方法，极好地消除了竞争冒险。

信号延时法缺点是用速度换取电路的稳定性，我们只能择优而取。

下面我们来看一些例子：按照设想out=abc+bde;其时序图要求如下：（用TimingDesigner画图）下面我们一一验证一下不同方法所实现的逻辑组合的效果。

//方法一，直接使用assign语句（数据流）assign out = a&b&c|d&e&b;类似的描述组合逻辑方法还有：always @ (a or b or c or d or e)begintemp1 = a&c|d&e; out = temp1&b;end wire temp1,temp2;and myand1(temp1,a,b,c); and myand2(temp2,d,e,b); or myor(out,temp1,temp2);由于表达式out=abc+bde可转换成out=b(ac+de)，因此b的取值至关重要，当输入信号b变为0时，输出即变为0，所以上述语句一般写成：wire temp;assign temp = a&c|d&e;assign out = temp&b;这样一来，当b变为0，输出立即变化，这就是关键路径的选取。

关键路径所生成的RTL结构如下：与没有选取关键路径相比：由行为仿真波形可以看出，这样的逻辑设计与设想相同：我们通过修改仿真文件.twf 对某些输入信号进行人为的延时，观察加入延时后出来的效果：输入信号波形代码段均写在Initial段中：（我们就在这里修改），为了保持毛刺持续时间尽量满足实际情况（一般为十几ns）所以这里设置延时均为10ns，即在`timescale 1ns/1ps 情况下，使用#10;语句进行延时动作。

initial begin// ------------- Current Time: 490ns#490;a = 1'b1;b = 1'b1;c = 1'b1;d = 1'b1;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 1090ns#600; a = 1'b0; c = 1'b0;#10; e = 1'b1;#10; b = 1'b0;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 1690ns#600; b = 1'b1;#10; e = 1'b0;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 2290ns#600; e = 1'b1;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 2690ns#400; e = 1'b0;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 3090ns#400; e = 1'b1;#10; b = 1'b0; c = 1'b1;// -------------------------------------// ------------- Current Time: 3690ns#600; b = 1'b1;#10; d = 1'b0;#10; a = 1'b1;// -------------------------------------end仿真出来的效果（毛刺出现了）可见，尽管做出了关键路径的选取，组合逻辑电路还是非常容易产生毛刺。

下面我们使用上面的说法，加入寄存器后观察结果。

reg out; wire temp;assign temp = a&b&c|d&e&b;always @ (posedge clk)out = temp;从RTL结构图中可以直观看到加入D触发器（即寄存器）输出：依旧采用改动后的仿真文件，所得出的仿真波形如下：可见，上面的毛刺完全被消除了，而且不留一点痕迹。

由于使用触发器免不了使用时钟，详细的使用放到后面的时序电路学习一节中。

小结：从本节中，实现了简单的逻辑组合，并透过阅读修改仿真文件，了解毛刺的产生；通过观察RTL结构图，了解到代码风格与生成的模型之间的联系，并通过使用D触发器消除毛刺。

反思：如果外部情况比较恶劣，延时级别大于ns级，或者输入信号的跳变在时钟跳变时期发生，会产生什么效果，这需要在后面的学习中逐步体会。

3.使用组合逻辑：加法器的设计一个设计，其实现方案多样，而且不同的实现方案，电路结构是不一样的，这将导致速度或使用资源的差异。

所以，在学习过程中，需要对不同的方法进行比较，了解各种编码风格实现的差别，对将来的系统设计有极大的帮助。

下面我们以加法器的设计为引导，延伸本节的讨论。

首先，我们要知道一个加法器模型应该有的端口，他们分别为：加数，被加数，上级进位，和，进位这几个端口。

注意verilog的编码规范，模块端口有高位至低位，从输出到输入进行描述：module adder(cout,sum,clk,rst,a,b,cin);（1）实现方法一assign { cout, sum } = a + b + cin;这样看来，加法器的实现非常简单，从结构上看，它直接调用了一个加法器（如图）：但是对于“+”号的综合，FPGA内部是采用查找表所实现的，下面是由上述语句生成的二级查找表结构：（查找表的级数是延时的主要因素，降低查找表级数是代码优化的首要任务）其中LUT3_E8表示3输入查找表，E8指查找表内部真值表的结果值。