🎉欢迎来到FPGA专栏~Verilog文件的基本结构

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Verilog HDL系列博客参考书籍 《Verilog HDL设计实用教程》 和小梅哥教学视频。该系列博客将会融合两部分参考内容，总结知识点，帮助新手快速掌握Verilog HDL。

一、Verilog模块的基本结构

实现一个2-4译码器的Verilog代码：

//2-4译码器的Verilog代码
module decode2x4(Z,A,B,Enable);output [3:0]Z;input A,B,Enable;wire A_n,B_n;not		V0(A_n,A);not 	V1(B_n,B);nand	N0(Z[3],Enable,A,B);nand	N1(Z[0],Enable,A_n,B_n);nand	N2(Z[1],Enable,A_n,B);nand	N3(Z[2],Enable,A,B_n);endmodule 

上述代码编写了一个2-4译码器的模块，基本包含了所有Verilog代码的通用结构。该模块的代码由四部分组成：模块定义、端口声明、内部资源声明和功能描述。

模块定义部分的代码：

//2-4译码器的Verilog代码
module decode2x4(Z,A,B,Enable);
...
endmodule 

端口声明部分的代码：

output [3:0]Z;
input A,B,Enable;

内部资源声明部分的代码：

wire A_n,B_n;

功能描述部分的代码：

not		V0(A_n,A);
not 	V1(B_n,B);
nand	N0(Z[3],Enable,A,B);
nand	N1(Z[0],Enable,A_n,B_n);
nand	N2(Z[1],Enable,A_n,B);
nand	N3(Z[2],Enable,A,B_n);

需要记住一个Verilog模块由四个部分组成。模块定义、端口声明、内部资源声明和功能描述四个部分构成一个完整的模块。

二、语法详细介绍

2.1 模块定义

模块的定义以关键字module开始，以关键字endmodule结束，在这两个关键字之间的代码被识别为一个模块，即一个具有某种基本功能的电路模型，其基本语法结构如下：

//模块的定义
module 模块名(端口名1，端口名2，端口名3，...);
...
endmodule 

对于Verilog模块的定义需要注意如下三点：
🔸第一点： 一个Verilog文件中可以定义多个模块，但是为了便于文件的管理和模块的调用，一般情况下一个Verilog文件中只定义并编写一个模块。

//一个Verilog文件中定义多个模块
module mux2(a,b,sel,out,io);
...
endmodule module mux4(a,b,sel,out,io);
...
endmodule module mux8(a,b,sel,out,io);
...
endmodule ...

🔸第二点： 在定义模块的同时，需要自己定义模块名和端口名。而对于端口名的写法，常用的有两种。

//第一种写法
module mux2 (a,b,sel,out,io)
//端口属性定义input [7:0] a;input [7:0] b;input sel;output [7:0] out;inout io;...endmodule

//第二种写法
//Verilog对于端口列表的新写法
module mux2 (
//端口属性定义input [7:0] a,input [7:0] b,input sel,output [7:0] out,inout io
);...endmodule

第二种写法将端口的类型（属性）直接写到了端口名部分。推荐使用第二种写法，便于管理、检查和调用。

使用第二种写法编写2-4译码器：

//2-4译码器的Verilog代码
module decode2x4(output	[3:0] Z,input		  A,input		  B,input		  Enable
);wire A_n;wire B_n;not		V0(A_n,A);not 	V1(B_n,B);nand	N0(Z[3],Enable,A,B);nand	N1(Z[0],Enable,A_n,B_n);nand	N2(Z[1],Enable,A_n,B);nand	N3(Z[2],Enable,A,B_n);endmodule 

🔸第三点： 模块的名称、端口的名称等需要自己来定义的名称，统称为标识符。

标识符使用的规则：

1. 标识符区分大小写，例如：Cnt和cnt是不同的。
2. 标识符的第一个字符必须是字母或下画线，不能以数字或美元符开始。
3. Verilog基本语法中使用到的关键字作为保留字，是不能用作标识符的。

2.2 端口声明

端口声明，即给出端口的具体信息，包括输入输出和位宽情况。

端口的类型有三种，分别是：input、output和inout：

端口定义时默认一位宽度，即只能传播一位信号。

指定端口的位宽：

端口类型 [端口位宽左界：端口位宽右界] 端口名

例如：

module mux2 (
//端口属性定义input [7:0] a,input [7:0] b,input sel,output [7:0] out,inout io
);...endmodule

2.3 内部资源声明

对于内部资源的声明，比较常见的是连线（线网）类型和寄存器类型。

🔸时序逻辑驱动的信号-寄存器类型reg。
🔸组合逻辑驱动的信号-线网类型wire。

需要在always块中进行赋值时，必须定义为reg类型。

例如：

//定义内部信号
wire oe;
reg [7:0] y;

reg [7:0]shift_a;
always@(posedge clk)shift_a <= {shift_a[0],shift_a[7:1]};

连线和寄存器的最初目的是描述电路中的连接线（就是导线）和寄存器（数字电路基本时序器件）。wire最后一定会变成连线，而reg则不一定真的会变成寄存器。

2.4 功能描述

功能描述部分是Verilog最主要的一个部分。

功能描述部分就是要完成该模块能实现的功能。该部分会在后续的文章中逐步讲解。

三、其余基础语法

3.1 assign语句简单介绍

assign语句，即连续赋值语句。

对于二选一多路器的功能描述，如下的assign语句都是等价的：

//连续赋值语句
assign out = (sel == 0)?a:b;//简化写法
assign out = !sel?a:b;//等价写法
assign out = sel?b:a;

FPGA实现二选一多路器链接：【FPGA零基础学习之旅#2】“二选一多路器”简单实例

assign语句实现三态门的控制：

//三态门控制
inout io；
assign oe = sel;
assign io = oe?out[0]:1'bz;//z表示高阻态，高阻态表示输入

3.2 位操作

🔸对于数据的表示：

//位宽的表示
//数据的表示
assign x = 4'b1001;//1001(2)=9(10)
assign x = 4'd9;
assign x = 4'h9;assign x = 4'hc;assign n = 32'h1234_4567;
assign z = 8'b1001_1011;

在上述代码的例子中，如assign x = 4'b1001;//1001(2)=9(10)，4表示数据的位宽，b表示数据类型为二进制数，1001即为数据（二进制的1001等于十进制的9）。

b表示二进制；d表示十进制；h表示十六进制。位宽与进制之间用 ’ 分隔开。

🔸对于位的操作：
这里介绍Verilog中的三种位操作：取某一位直接用作数据源、循环移位操作和位拼接操作。

1. 取某一位直接用作数据源：

//取某一位直接用作数据源
output [7:0] out；
wire [2:0]m;
assign m = out[5:3];

2. 循环移位操作：

//循环移位操作
reg [7:0]shift_a;
always@(posedge clk)shift_a <= {shift_a[0],shift_a[7:1]};

3. 位拼接操作：

//位拼接操作，“{}”表示拼接
wire [3:0]x;
wire [3:0]y;
wire [7:0]z;
wire [31:0]n;assign z = {x,y};//下面两种写法等效
assign n = {y,7{x}};
assign n = {y,x,x,x,x,x,x,x};

🧸结尾

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