致谢：本笔记基于龚黎明的系列讲解视频。

(August 10, 2019) 这篇文章的阅读量越来越多了，感谢各位对这篇文章的关注。从一个cs学生的角度来看，点击量多了，就说明在搜索引擎里这篇文章的排名已经比较靠前了，好的排名需要好的内容，这就给我的文章质量带来了挑战。不得不承认这篇文章在细节上有很多不足之处，大量笔记都是直接从视频里搬了下来，可能作为一个看了视频的人我觉得这篇文章可以作为好的笔记复习，但理解到大部分读者都是初次接触verilog，面对着陌生的概念和晦涩的语法，如果文章质量不高，对点进来的读者而言就是毫无收获而且浪费时间。所以呢，我承诺很快就会对文章内容进行调整，尽量为广大同学提供高质量的学习素材。我希望的效果，是从龚黎明认真细致的讲解里，提炼出他的教学思路以串联重要的概念，然后对初学者可能觉得困难的地方用自己的理解作为注释，希望能对读者们有所帮助。

1 Verilog简介（Verilog语法学习者可跳过该节）

Verilog是一门类C语言

Verilog是一门类C语言，语法与C接近，但Verilog是硬件设计语言，与C实质不同。

Verilog代码对应硬件实体。比如在Verilog里写的a+b，最后会得到由硬件实现的加法器
Verilog代码到硬件的过程叫综合。综合就是将Verilog代码转化为硬件实现
Verilog并行执行

HDL: Hardware Description Language

Verilog HDL使硬件设计师们得以专注于逻辑，而不需要考虑硬件层面的实现。同样的代码只要经过不同的库综合，就可以在不同的硬件上运行。因此Verilog的代码具有极高的可复用性。

使用Verilog的绝大多数开发都处于寄存器传输级。

软核、固核与硬核

软核（Softcore）：功能经过验证的、可综合的、实现后电路结构总门数在5000门以上的Verilog HDL模型。
固核：在某一种现场可编程门阵列（FPGA）器件上实现的，经验证是正确的总门数在5000以上的电路结构编码文件。
硬核：在某一种专用的半导体集成工艺（ASIC）的器件上实现的，经验证是正确的总门数在5000以上的电路结构掩膜

显然，在具体实现手段和工艺技术尚未确定的逻辑设计阶段，软核具有最大的灵活性。因此，发展软核的设计和推广软核的重用技术是非常有必要的。

自顶向下（Top-Down）设计

（对上图的讲解：P2 | 2:55）

2 Verilog基本语法

Verilog语法概述

行为级描述/寄存器传输级（RTL）描述/系统级描述：把module当成黑盒，描述module输入与输出的关系。门级实现由综合工具推断，常常能做到最优。
结构级描述/门级描述：把module作为白盒，而描述组成module的门电路（部件）

module  (in1, in2, ..., out1, out2)
    input in1, in2, ...;
    output out1, out2, ...;
    ...
endmodule

// 注释1
/* 注释2 */

基本语法

Verilog区分大小写
Verilog的关键字都是小写
module, endmodule定义一个基本模块，两个关键字间的语句是对该模块的描述。定义模块方便复用。
parameter关键字定义一个参数，增强模块的通用性
output, input关键字指定输入输出
always @(posedge/negedge clk)语句，每当clk出现上升/下降沿时，就执行接下来的语句块（begin, end标志一个语句块）。这种语句构成时序逻辑，当前输出与上一个时刻的值有关
reg类的变量用<=赋值，赋值符号左侧是寄存器，右侧是更新的值
&q语句输出q每一位相与的结果，即&q=q[1]&q[2]&...&q[N]
assign关键字描述组合逻辑，输出只与当前输入有关
input/output如果没有显示声明类型，默认为wire类型。如果需要reg类型以存储值，需要显示声明
wire类型只是一根导线，只能用来组合逻辑。assign语句等号右侧一旦发生变化，等号左侧立刻得到结果；而always语句块中的值改变只能发生在每一时刻（由@符号后的语句描述时刻）
initial begin, end语句块指明初始化语句，这部分指令在系统上电后直接执行
'timescale 1ns/1ps指定测试的单位是1ns，精度是1ps
#100指令指明延时，单位由之前的代码指定
$stop指令使仿真停止
时序逻辑：<=赋值；组合逻辑：-赋值

代码实例

数据类型及常量、变量

常量

语法：<位宽>'<进制><数值>

位宽：对应二进制的宽度
进制

进制表示

变量

有两种类型：

nets type
register type

nets type

wire

上表的后面三种类型不可以综合，主要用在算法级的开发

reg

运算符

注：==和===的区别在于怎么处理z和x的位。一般来说用==就足够了

优先级

【重要】语句

Part 0 概述

赋值语句

连续赋值语句：assign语句
过程赋值语句：always开头，@引导一个敏感列表

条件语句

if-else
case

（条件语句必须在顺序执行块中使用。所谓顺序执行块是指由 initial 和always语句引导的执行语句集合。除了这两种语句引导的begin_end块中可以编写条件语句外，模块中的其他地方都不能编写。）

循环语句

forever
repeat
while
for

结构说明语句

initial
always
task
function

编译预处理语句

`define语句
`include语句
`timescale语句

Part 1 赋值、条件语句详解

always过程块

always @(<敏感信号表达式>)
begin
...
end

always语句块不能嵌套
在敏感信号表达式前加posedge或negedge关键字可以指定上升沿或下降沿触发。否则每当表达式的值发生改变，就会执行语句块

initial过程块

initial过程块模拟上电之后的行为，不可综合，通常用于功能模拟的初始化，写在测试文件（testbench）中
同一模块中的initial过程块，在上电时并行执行
initial过程块不能嵌套

连续赋值语句assign

assign语句常用于对wire类型变量进行赋值
等式左边的wire变量随等式右边的值一起变化

过程赋值语句

常用于对reg型变量进行赋值
阻塞赋值（=）与非阻塞赋值（<=）

一个例子

// For e.g.
...
always @(posedge clk)
begin
    b <= a
    c <= b
end
...
// 上升沿来前，假设b=1,a=2
// 则上升沿来时，b=2，c=1，即c获得b的旧值
// 原因是非阻塞赋值下，两个赋值语句并行执行
// 若将<=全部改为=，则c=2，因为阻塞赋值是顺序执行的

对于过程赋值语句，如果是边沿触发，我们在always语句块里用<=赋值，期望综合后生成寄存器；如果是电平触发，那么这个语句块实际上描述的是一段组合逻辑，我们使用=赋值，期望综合后不使用寄存器，而生成一个组合逻辑电路

case语句

case (<敏感值表达式>)
    value_1: ...;
    value_2: ...;
    ...
    default: ...; //可省略
endcase

执行哪一个语句块取决于敏感值表达式的值与哪一个情况(value_i)匹配，如果都不匹配，则执行default后面的语句

在敏感信号表达式的位置写*，综合器会推断表达式。推断的主要依据是赋值语句的右侧值

小结

语法要点：
(1) always里面赋值左边必须声明成reg（Verilog的语法规定。这一条引出了后续的很多要点）
(2) assign表达式左边必须声明成wire
(3) 阻塞赋值用=
(4) 非阻塞赋值用<=

(1) 边沿触发生成寄存器的时序逻辑
(2) 电平触发且条件完整，生成组合逻辑
(3) 电平触发但条件不完整（写了if没写else，或case不完整），生成锁存器的时序逻辑

结论：
声明成reg，不一定得到寄存器
声明成reg，也可能得到锁存器

Coding要点：

如果是边沿触发的逻辑
比如always @(posedge clk)，里面一律用<=赋值
如果是电平触发的逻辑，一律用=赋值
逻辑简单用assign语句；逻辑复杂用always语句
分支条件写完整，防治出现锁存器

Part 2 循环语句详解

for语句（可综合）

语法（和C一样）：

for (<变量赋初值语句>; <条件表达式>; <变量增值语句>)
    循环体;

repeat语句

repeat语句常用于仿真

语法：

repeat(<循环次数表达式>)
    循环体;

Part 3 结构语句详解

主要讲解function（函数）与task（任务）

function（可综合）

function常用于实现简单的函数，module里可以调用function。而function在一定意义上相当于一个module。

例子

task（不可综合）

task常用于仿真验证，语句块里可以写各种高级语句

例子（例子中的task的作用是等待number_of_edges个下降沿）

function和task的不同

task中可以使用的高级系统函数

看到这里了？恭喜，你已经学会了Verilog的基本语法，你已经能够handle不少电路设计了！接下来是关于执行顺序的知识。设计一个电路，不仅要知道逻辑，也要知道执行顺序。

3 执行顺序

顺序执行块：begin - end （例外：always语句块中用begin - end和非阻塞赋值<=时，这时是并行执行）
并行执行块：fork - join

举一个例子（假设例子里的时间单位是ns），

由于fork - join语句块是并行执行的，上图中的两个语句块描述的是同一个过程：
上电（系统启动）后50ns，r='h35'；再过50ns，r='hE2'；再过50ns，r='h00'；以此类推。

延伸该例子，将语句块改为

fork
    begin
        #50 r='h35';
        #100 r='hE2';
    end
    #150 r='h00';
    #200 r='hF7';
    #250 r='h00';
end

则依据begin - end语句块的顺序执行性，r的值在150ns时是不确定的，因为同时有两个赋值发生。

简单总结，如果想要串行执行，需要满足两个条件：

begin - end语句块
阻塞赋值=

（完结撒花）

Verilog HDL | 简介与基本语法