Документ представляет собой лекцию о принципах моделирования в Verilog на уровне вентильных и dataflow. Он охватывает стандартные логические элементы, синтаксис операторов присвоения, работу с задержками и примеры использования арифметических и логических операторов. Дополнительно обсуждаются системные задачи, функции работы с файлами и чтение двоичных данных.

1. VERILOG
3. Dataflow уровень описания моделей
Автоматизация проектирования
компьютерных систем
д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ
2/9/2011 e-mail: hahanova@mail.ru 1

2. Цель лекции и содержание
 Цель – изучить принципы построения
моделей вентильного и dataflow
уровней
 План
1. Стандартные логические элементы
2. Определенные пользователем примитивы
3. Задержки
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 2
e-mail: hahanova@mail.ru

3. Dataflow-модели
out=ab+c
a
#5
b e
#4 out
c
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 3
e-mail: hahanova@mail.ru

4. Оператор непрерывного назначения.1
Синтаксис:
assign [drive_strength] [delay] net_value =
expression {,net_value = expression};
Примеры:
assign out=i1&i2;
assign addr[15:0]=addr1[15:0]^addr2[15:0];
assign {c_out, sum[3:0]}=a[3:0]+b[3:0]+c_in;
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 4
e-mail: hahanova@mail.ru

5. Оператор непрерывного назначения.2
//Обычная форма
wire out;
assign out = i1 & i2;
//Упрощенная формой
wire out = i1 & i2;
 Задержки в операторе назначения
wire out;
assign #10 out = i1 & i2; //Обычная форма
wire #10 out = i1 & i2; //Упрощенная форма
 Задержку линии можно также указать в момент ее декларации:.
wire #10 out; //Описание задержки линии
assign out = i1 & i2; // значение линии out будет
// присвоено через 10 единиц времени
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 5
e-mail: hahanova@mail.ru

6. Приоритеты операторов
Оператор Описание
+ - ! ~ Унарные
* / % Арифметические
+ - (binary) Бинарные
<< >> <<< >>> Сдвига
< <= > = > Отношения
== != === !== Равенства
& ~& and nand
^ ~^ ^~ xor xnor
| ~| or nor
&& Логическое and
|| Логическое or
?: Условный оператор
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 6
e-mail: hahanova@mail.ru

7. Операторы Verilog
Операторы Verilog
Арифметические Побитовые
Оператор Описание Оператор Описание
a+b a плюс b ~b not
a-b a минус b a&b and
a*b a умножить на b a |b or
a/b a разделить на b a^b xor
a%b a по модулю b
a ** b Степень a ^~ b, a ~^ b xnor
Отношения Равенства
Оператор Описание Оператор Описание
a<b меньше a == b равно
a>b больше a != b не равно
a <= b меньше или равно a ===b равно
a => b больше или равно a !== b не равно
Логические
Оператор Описание
a && b a and b
a || b a or b
!a not a
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 7
e-mail: hahanova@mail.ru

8. Арифметические операторы
 Если хотя бы один бит операнда равен x, то
результат равен x
in1 = 4'b110x;
in2 = 4'b1010;
sum = in1 + in2; // результат операции сложения – 4'bx
 Результат операции по модулю представляет собой
остаток от деления двух чисел. Знак результата
совпадает со знаком первого операнда.
10 % 3 // результат 1, остаток от деления 10 на 3 равен 1
17 % 3 // результат 2, остаток от деления 17 на 3 равен 2
12 % 3 // результат 0, нет остатка от деления
-7 % 3 // результат -1, знак первого операнда
11 % -3 // результат 2
-4’d12 % 3 // результат 1, т.к. -4’d12 = 4'b0100%3 = 1
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 8
e-mail: hahanova@mail.ru

9. Операторы логические, отношения и равенства
 Логические операторы
A=3; B=0;
A&&B=0 A||B=1 !A=0 !B=1
A = 2'b0x; B = 2'b10; // Операнд с элементом x
A && B = x // эквивалентно (x && 1)
 Операторы отношения
reg [3:0] a, b; a = 4’b1100; b = 4’b0110;
a < b // равняется логическому 0 a > 8 // равняется логической 1
a <= b // равняется логическому 0 a >= 10 // равняется логической 1
a < 4’b1zzz // результат равен x a < 4’b1x01 // результат равен x
 Операторы равенства
reg [3:0] a, b; a = 4’b1100; b = 4’b101x;
a == 4’b1100 // истина – логическая 1 a != 4’b1100 // ложь – логический 0
b == 4’b101x // результат равен x b != 4’b101x // результат равен x
b === 4’b101x // истина – логическая 1 b !== 4’b101x // ложь – логический 0
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 9
e-mail: hahanova@mail.ru

10. Побитовые операторы
~^
& 0 1 x z ^ 0 1 x z | 0 1 x z 0 1 x z ~ 0 1 x z
^~
0 0 0 0 0 0 0 1 x x 0 0 1 x x 0 1 0 x x 1 0 X X
1 0 1 x x 1 1 0 x x 1 1 1 1 1 1 0 1 x x
x 0 x x x x x x x x x x 1 x x x x x x x
z 0 x x x z x x x x z x 1 x x z x x x x
reg [7:0] a, b; a = 8’b1010xzxz; b = 8’b10010011;
a&b // поразрядное И, результат 8’b100000xx;
a|b // поразрядное ИЛИ, результат 8’b1011xx11;
a^b // поразрядное по модулю 2, результат 8’b0011xxxx;
a ~^ b // поразрядное по модулю 2 с инверсией выхода,
// результат 8’b1100xxxx;
~a // поразрядная инверсия, результат 8’b0101xxxx;
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 10
e-mail: hahanova@mail.ru

11. Операторы редукции
 Операторы редукции или свертки
 & (and), ~& (nand), | (or), ~| (nor), ^ (xor), ^~ или
~^ (xnor)
Пример
• &x // 1&0&1&0=1'b0
• |x // 1|0|1|0=1'b1
• ^x // 1^0^1^0=1'b0.
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 11
e-mail: hahanova@mail.ru

12. Операторы сдвига
Операторы сдвига Операторы сдвига
 //x=4'b1100 Оператор Описание
 y=x>>1 //y=4'b0110 a << b Сдвиг влево
 y=x<<1 // y=4'b1000 a >> b Сдвиг вправо
 y=x<<2 //y=4'b0000 a <<< b Знаковый сдвиг влево
a >>> b Знаковый сдвиг вправо
 reg [3:0] a; a = 4’b1111;
 a << 3 = 4’b1000 a >> 3 = 4’b0001
 a << 1’bz = 4’bxxxx a >> 1’bx = 4’bxxxx
 reg [7:0] r8;
 r8 = a >>> b; // Сдвиг a вправо на b разрядов,
 // старшие биты заполняются значением a[7]
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 12
e-mail: hahanova@mail.ru

13. Оператор конкатенации
 Синтаксис:
{expression | multiplier{expression},
expression | multiplier{expression}, . . .}
 Примеры.
//A=1'b1, B=2'b00, C=2'b10, D3'b110
Y={B, C} //Y=4'b0010
Y={A, B, C, D, 3'b001} //Y=11'b10010110001
Y={2{B}, C} //Y=6'b000010
Y={3{A}, 2{B}, C} //Y=9'b111000010
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 13
e-mail: hahanova@mail.ru

14. Оператор условного назначение
Синтаксис:
condition_expr ? true_expr: false_expr;
mux_2to_1
In0
Out module mux_2to_1 (out, In0, In1, Sel);
In1 output Out;
input In0, In1, Sel;
Sel
assign out = Sel ? In1 : In0;
endmodule
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 14
e-mail: hahanova@mail.ru

15. Две модели мультиплексора 4 в 1
// Модель 1
module mux4_to_1 (out, i0, i1, i2, i3, s1, s0);
output out;
input i0, i1, i2, i3;
input s1, s0;
//Вложенный условный оператор
assign out = s1 ? (s0 ? i3 : i2) : (s0 ? i1 : i0);
endmodule
// Модель 2
module mux4_to_1 (out, i0, i1, i2, i3, s1, s0);
output out;
input i0, i1, i2, i3; // входы данных
input s1, s0; // управляющие входы
assign out = (~s1 & ~s0 & i0) | (~s1 & s0 & i1) |
(s1 & ~s0 & i2) | (s1 & s0 & i3);
endmodule
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 15
e-mail: hahanova@mail.ru

16. Системные задачи и функции.1
 Системная задача $display служит для вывода
информации на экран.
$display | $displayb | $displayh | $displayo (p1, p2, p3, ...) ;
Символ Описание формата
%d or %D Десятичный формат
%b or %B Двоичный формат
%h or %H Шестнадцатиричный формат
%o or %O Восьмеричный формат
%c or %C Символы в формате ASCII
%v or %V Интенсивности сигнала класса net
%m or %M Иерархическое имя
%s or %S В виде строки
%t or %T Текущий формат времени
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 16
e-mail: hahanova@mail.ru

17. Системные задачи и функции.2
 Задача $monitor предлагает механизм для
наблюдения за изменениями сигнала.
$monitor | $monitorb | $monitorh | $monitoro (p1, p2, p3, ...) ;
$monitoron; // влючить мониторинг
$monitoroff; // выключить мониторинг .
 Пример
initial // блок инициализации
begin
$monitor($time, "clock = %b, reset = %b", clock, reset);
end
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 17
e-mail: hahanova@mail.ru

18. Системные задачи и функции.3
 $stop [(n)];
$finish [(n)];
Режимы диагностических сообщений задач $stop и $finish
n Сообщ ение
0 Отсутствует
1 Время моделирования
Время моделированияи и работы CPU,
2
размер используемой памяти
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 18
e-mail: hahanova@mail.ru

19. Системные задачи и функции.4
$printtimescale [ ( hierarchical_name ) ] ;
Пример:
// функции
`timescale 1 ms / 1 us
integer $time module a_dat;
integer $stime initial
real $realtime $printtimescale;
endmodule
Задача $printtimescale – выводит единицы измерения и
точность вычисления времени для указанного модуля
hierarchical_name. Системные функции $time и $stime
возвращают текущее время моделирования в виде 64- и 32-
битового целого числа, а функция $realtime – в вещественном
формате.
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 19
e-mail: hahanova@mail.ru

20. Работа с файлами
 $fopen и $fclose
 integer multi_channel_descriptor = $fopen ( " file_name " );
 | integer fd = $fopen ( " file_name ", type );
 $fclose ( multi_channel_descriptor );
Screen+Log File Otput
 | $fclose (fd);
$display $fdisplay
 Пример $write $fwrite
integer file1, file2; $strobe $fstrobe
initial begin $monitor $fmonitor
file1 = $fopen("file1");
file2 = $fopen("file2");
$display("The number used for file 1 is %0d", file1);
...
$fclose(file1);$fclose(file2);
end
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 20
e-mail: hahanova@mail.ru

21. Функции работы с файлами
 Чтение символов (байта)
 c = $fgetc ( fd );
 code = $ungetc ( c, fd );
 Чтение строки str из файла fd
 integer code = $fgets ( str, fd );
 Чтение форматируемых данных
 integer code = $fscanf ( fd, format, args );
• // чтение из файла, заданного fd
 integer code = $sscanf ( str, format, args );
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 21
e-mail: hahanova@mail.ru

22. Чтение двоичных данных из файла
 integer code = $fread( myreg, fd);
 integer code = $fread( mem, fd);
 integer code = $fread( mem, fd, start);
 integer code = $fread( mem, fd, start, count);
 integer code = $fread( mem, fd, , count);
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 22
e-mail: hahanova@mail.ru

23. Загрузка памяти из файла
 $readmemb ( " file_name " , memory_name [ ,
start_addr [ , finish_addr ] ] ) ;
 | $readmemh ( " file_name " , memory_name [ ,
start_addr [ , finish_addr ] ] ) ;
 Примеры
 reg [7:0] mem[1:256];
 initial $readmemh("mem.data", mem);
 initial $readmemh("mem.data", mem, 16);
 initial $readmemh("mem.data", mem, 128, 1);
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 23
e-mail: hahanova@mail.ru

24. $random()
 Размер возвращаемых значенй соответствует
типу integer.
 Пример использования функции $random.
parameter SEED = 33;
reg [31:0] vector;
always @(posedge clock)
vector = $random (SEED);
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 24
e-mail: hahanova@mail.ru

25. Контрольные вопросы и задания.1
1. Что означает оператор a === b в Verilog?
2. Что означает оператор a !== b в Verilog?
3. Чему будет равен результат операции Y = {3{A}}, где A = 2’b1?
4. Чему равен результат операции X|Y для переменных X =
5’b10101, Y = 5’b00111?
5. Чему равен результат операции X&Y для переменных X =
5’b10101, Y = 5’b00111?
6. Чему равен результат операции X^Y для переменных X =
5’b10101, Y = 5’b00111?
7. Чему равен результат операции &X для X = 5’b10101?
8. Чему равен результат операции |X для X = 5’b10101?
9. Чему равен результат операции Y={A, B, C, D, 3’B101} для
A=1’b1, B=1’b0, C=2’b11, D=2’b00?
10. Чему равен результат операции e = {2{1'b1,a,1'b0}} для
a=4'b0110?
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 25
e-mail: hahanova@mail.ru

26. Контрольные вопросы и задания.2
 Синхронный счетчик может быть построен с использованием двухступенчатого
JK-триггера. Ниже представлена вентильная схема JK-триггера. Если clear = 0,
то триггер устанавливается в нулевое состояние. Первая ступень триггера
сохраняет значения по положительному фронту сигнала clock, вторая – по
отрицательному. Разработать ее Verilog-модели вентильного и dataflow-уровня.
a J K qn+1
J y
c 0 0 qn
q 0 1 0
1 0 1
clear 1 1 q'n
qbar
d
K ybar
b
clock
cbar
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 26
e-mail: hahanova@mail.ru

27. reset q
#1
qbar
#1
set set reset qn+1
0 0 qn
0 1 0
1 0 1
1 1 ?
2/9/2011 д.т.н. Хаханова И.В, каф.АПВТ, ХНУРЭ 27
e-mail: hahanova@mail.ru