FPGA 入门 —— 代码规范与模块结构

不可综合或不推荐使用的代码

代码	要求
initial	严谨在设计中使用，只能在测试文件中使用
task/function	不推荐在设计中使用，在测试文件中使用
for	在设计中、测试文件中均可以使用，但在设计中多数会将其用错，所以建议在初期设计时不使用，熟练后按规范使用
while/repeat/forever	严禁在设计文件中使用，只能在测试文件中使用
integer	不推荐在设计中使用
三态门	内部模块不能有三态接口，三态门只有顶层文件才使用，三态门目的时为了节省管脚，FPGA 内部完全没有必要使用
casex/casez	设计代码内部不能有 X 态和 Z 态，因此 casez，casex 设计时不使用
force/wait/fork	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用
#n	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用

代码	备注
reg/wire	设计中所有的信号类型定义，只有 reg 和 wire 两种
parmeter	设计代码中所有的位宽、长度、状态机命名等，建议都用参数表示，阅读方便并且修改容易
assign/always	程序块主要部分，至简设计法对 always 使用有严格规范组合逻辑格式为： always@(*)begin 代码语句 end 或者使用 assign 时序逻辑格式为： always@(posedge clk or negedgerst_n) begin if(rst_n == 1'b0)begin 代码语句： end else begin 代码语句 end end end 时序逻辑中，敏感列表一定时 clk 的上升沿和复位的下降沿、最开始必须判读复位
if else 和 case	always 里面的语句，使用 if else 和 case 两种方法用来作选择判断，可以完成全部设计
算数运算符(+，-，x，/，%)	可以直接综合出相对应的电路。但除法和求余运算的电路面积一般比较大，不建议直接使用除法和求余
赋值运算符(=，<=)	时许逻辑用“<=”，组合逻辑用“=”，其他情况不存在
关系运算符(==，！，=，>，<，>=，<=)
逻辑运算符(&&，
位运算符(~，	，^，&)
位移运算符(<，>，>>)	fpga常用运算符
拼接运算符({})	fpga常用运算符

模块结构

模块时 Verilog 的基本描述单位，是用于描述某个设计的功能或结构及与其他模块通信的外部端口，采用模块化设计让程序看起来更有提条理性，也便于仿和调试

模块就等同于一个器件，就如同调用通用器件(与门，三态门等)，或通用宏单元(计数器、ALU、CPU 等)，一个模块可以在另一个模块中进行调用，一个电路可以由多个模块组合而成

整个项目的设计思路就是模块套模块，自顶向下依次展开，在一个工程设计里，每个模块实现特定的功能，模块间可进行层次的嵌套，对大型的数字电路进行设计时，可以将其分割成大小不一的小模块，每个小模块实现特定的功能，最后通过由顶层模块调用子模块的方式来实现整体功能，这就是 Top-Down 思想

模块主要有五个部分：

端口定义
参数定义(可选)
I/O 说明
内部信号声明
功能定义

模块总是以关键词 module 开始，以关键词 endmodule 结尾，一般语法结构如下：

注意：这里的信号宽度都是定义为 [width-1 : 0] ，这是由于如果我们使用的是 8 位输入，那么我们的输入一般是 0-7 ，刚好是 8 位，所以这里是这样定义的

这里的端口定义、单数定义、信号定义都比较好理解，这里主要介绍信号类型和功能定义

信号类型

reg

reg[width-1 : 0]：reg 型表示的寄存器类型，用于 always 模块内被赋值的信号，必须定义为 reg 型，reg 表示一定要有触发，输出才会反映输入的状态。根据触发条件的不同，模块可以建模不同的硬件结构：如果这个条件是时钟的上升沿或下降沿，那么这个硬件模型就是一个触发器(时序逻辑)；如果这个条件是某一信号的高电平或低电平，那么这个硬件模型就是一个锁存器(组合逻辑)；如果这个条件是赋值语句右侧任意操作数的变化，那么这个硬件模型就是一个组合逻辑。

reg 型相对复杂些，其综合后的输出主要还看具体使用的场景：当在组合电路中使用 reg，合成后的仍然是 net 网络；当在时序电路中使用 reg 合成后的才是 register。

wire

wire[width-1 : 0]：wire 的本质是一条没有逻辑的连线，也就是说输入时什么输出也就是什么。wire 型数据常用来表示以 assign 关键字指定的组合逻辑。输入输出端口类型都默认为 wire 型，wire 相当于物理连线，默认初始值是 z(高组态)

如果你把 wire 定义的变量用在时序逻辑的语句中就会出现综合错误：

例如：

在 always 语句中使用 wire 型定义的变量赋值，综合器就会报错。

reg 与 wire 对比

从仿真分析角度来说

wire 对应于连续赋值，如 assign

reg 对应于过程赋值，如 always，initial

wire 型数据常用来表示以 assign 关键字指定的组合逻辑信号，模块的输入输出端口类型都默认为 wire 型，wire 相当于物理连线，默认初始值是 z，reg 型数据表示寄存器模型，用于 always 块、initial 语句中被赋值的变量
wire 使用在连续赋值语句中，reg 用在过程赋值语句(always、initial)中
wire 若无驱动器连接其值为z，reg 默认初始值为不定值 x
wire 表示直通，即输入有变化，输出马上无条件地反映(如与、非门的简单连接)，reg 表示一定要有触发，输出才会反映输入的状态
wire 一般用在组合逻辑中，reg 一般用在时序逻辑中
reg 变量在 always 中有两种情况：

always @(a or b or c)形式的，即不带时钟边沿的，综合出来还是组合逻辑；
always @(posedge clk)形式的，即带有边沿的，综合出来一般是时序逻辑，会包含触发器(Flip-Flop)

always 块不止能实现时序逻辑，还能实现组合逻辑：

如果这个条件是时钟上升沿或下降沿，那硬件模型就是一个触发器，只有是指定了 always@(posedge or negedge)才是触发器
如果这个条件是某一信号的高低电平，那这个硬件模型就是一个锁存器
如果这个条件是赋值语句右侧任意操作数的变化，那这个硬件模型就是一个组合逻辑

对组合逻辑输出变量，可以直接用 assign。即如果不指定为 reg 类型，那么就默认为 1 位 wire 类型，故无需指定 1 位 wire 类型的变量。当然专门指定出 wire 类型，可能是多位或为使程序易读
reg 型数据保持最后一次的赋值，而 wire 型数据需要持续的驱动

在连续赋值语句 assign 中，表达式右侧的计算结果可以立即更新到表达式的左侧，可以理解为逻辑之后直接连接了一条线，这个逻辑对应于表达式的右侧，这条线对应于 wire

在过程赋值语句中，表达式右侧的计算结果在某种条件的触发下放到一个变量当中，这个变量可以声明成 reg 型

reg和wire类似于C、C++的变量，但若此变量要放在begin...end之内，则该变量只能是reg型；在begin...end之外，则用wire型

什么时候使用 reg 或 wire ？

assign 语句中变量需要定义成 wire 型，使用 wire 必须搭配 assign
元件例化时候的输出必须用 wire
input、output 和 inout 的预设值都是 wire
变量放在 begin……end 之内必须使用 reg 变量
在 initial 语句中使用

功能描述

全部由 always 、 assign 和例化模块组成，assign ，连续赋值，always ，敏感赋值

连续赋值，就是无条件全等，敏感赋值，就是有条件相等，assign 的对象是 wire ，always 的对象是 reg ，这就是语法约束

功能差异

assign 对应电路下连线操作。always 对应插⼊敏感控制连线。这⾥容易混淆的就是 assign 综合的⼀定是组合电路，但是 always 综合的不⼀定是时序电路。always 的敏感列表使⽤*号就可以等效综合为组合电路。如果使⽤的是电平触发，也使会综合成相应的组合电路。只有出现边沿触发时，才会综合成时序电路。⽽时序电路，基础就是时钟和使能两个关键信号。时钟在 always 模块中不再出现(时钟信号在敏感信号作⽤下的值⼀直相等，没有使⽤在内部的意义，当然可以转化后使⽤)。⽽对于使能信号，则是会有⼀个 if 判断语句，⽽且处于第⼀优先级。这就是异步复位。如果不在敏感列表⽽处于第⼀优先级，则是同步复位信号

从上⾯的描述可以看到： always 可以实现两种电路，是不是可以不⽤ assign 来实现设计？理论上可以，但是会加⼤设计的难度。⾸先要明确的是，always 只能对 reg 变量赋值，这导致 wire 变量赋值困难。如果没有 assign，每个 wire 变量都要加⼊⼀个 reg 缓冲。可以简单理解：开始时只有 always，可以实现基本的功能，然后将其中的组合逻辑提取出来构成 assign。同时引⼊了 wire。也就是 assign 是 always 的补充(只是⽅便理解，没有根据)

主要就是一下几点：

assign 语句使用时不能带时钟

always 语句可以带时钟，也可以不带时钟。在 always 不带时钟时，逻辑功能和 assign 完全一致，都是只产生组合逻辑，比较简单的组合推荐使用 assign 语句，比较复杂的组合逻辑推荐使用 always 语句

带时钟和不带时钟的 always：

always 可以带时钟，也可以不带时钟，在 always 不带时钟，逻辑功能和 assign 完全一致，虽然产生的信号定义还是 reg 类型，但该语句产生的还是组合逻辑

在 always 带时钟信号时，这个逻辑语句才能产生真正的寄存器