蔡觉平老师西电Verilog HDL上机大作业(硬件描述语言)_微电子学院
verilog hdl语言100例详解
verilog hdl语言100例详解Verilog HDL语言是一种硬件描述语言，用于描述数字电路和系统的行为和结构。
它是硬件设计工程师在数字电路设计中的重要工具。
本文将介绍100个例子，详细解释Verilog HDL语言的应用。
1. 基本门电路：Verilog HDL可以用于描述基本门电路，如与门、或门、非门等。
例如，下面是一个描述与门电路的Verilog HDL代码：```verilogmodule and_gate(input a, input b, output y);assign y = a & b;endmodule```2. 多路选择器：Verilog HDL也可以用于描述多路选择器。
例如，下面是一个描述2:1多路选择器的Verilog HDL代码：```verilogmodule mux_2to1(input a, input b, input sel, output y);assign y = sel ? b : a;endmodule```3. 寄存器：Verilog HDL可以用于描述寄存器。
例如，下面是一个描述8位寄存器的Verilog HDL代码：```verilogmodule register_8bit(input [7:0] d, input clk, input reset, output reg [7:0] q);always @(posedge clk or posedge reset)if (reset)q <= 0;elseq <= d;endmodule```4. 计数器：Verilog HDL可以用于描述计数器。
例如，下面是一个描述8位计数器的Verilog HDL代码：```verilogmodule counter_8bit(input clk, input reset, output reg [7:0] count);always @(posedge clk or posedge reset)if (reset)count <= 0;elsecount <= count + 1;endmodule```5. 加法器：Verilog HDL可以用于描述加法器。
[工学]西安电子科技大学verilog教程1-2
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西安电子科技大学
雷达信号处理国防科技重点实验室
2. 数字信号处理
数字信处理系统往往要进行一些复杂的数字运算和数据处理， 并且又有实时响应的要求，他们通常是由高速专用数字逻辑系统或专 用数字信号处理器所构成，电路是相当复杂的。因此只有在高速大规 模集成电路设计制造技术进步的基础上，才有可能实现真正有意义的 实时数字信号处理系统。对实时数字信号处理系统的要求不断提高， 也推动了高速大规模集成电路设计制造技术的进步。现代专用集成电 路的设计是借助于电子电路设计自动化（EDA）工具完成的。学习和 掌握硬件描述语言（HDL）是使用电子电路设计自动化工具的基础。
• 由传统的观点出发，可以从三个不同的方面来研究计算，即从数 学、科学和工程的不同角度；由比较现代的观点出发，可以从四 个主要的方面来研究计算，即从算法和数据结构、编程语言、体 系结构、软件和硬件设计方法学。
• 一个复杂的数字系统设计往往是从算法到由硬线连接的门级逻辑 结构，再映射到硅片的逐步实现的过程。
&Moorby，刘明业等译。
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课时及考试安排
授课时数：30课时 上机时数；14课时 考试时数：90分钟 成绩计算：大作业*40%+考试*60%
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课程内容安排
第一部分 初级篇
第一章. 概述及设计工具介绍 第二章. Verilog HDL的基本知识 第三章. Verilog HDL基本概念 第四章. 常用Verilog语法之一 第五章．常用Verilog语法之二 第六章．常用Verilog语法之三 第七章．常用Verilog语法之四 第八章．常用Verilog语法之五
《VerilogHDL程序设计》课程教学方法研究
硬 件 描 述 语 言（ H D L ，h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u age） 是一种用形式化方法来描述数字电路和系统的 语言， 数字电 路系统的设 计 者 利用这 种 语言可以 从 上层到 下层 （从 抽 象 到具体） 逐步描述自己的设 计思 想， 用一系列 分层 次 的 模 块 来 表 示 极其复杂的 数字系统。 采用 Ve r i lo g H DL设 计方法比 采用电 路图输入的方法更有优 越性， 这就 是为 什么美国等国家 在 进 入 2 0 世 纪 9 0 年代 以 后 纷 纷 采用 HDL设计方法的原因。 Ver i log HDL适用于复杂数字逻辑 电 路和系统 的总体仿真、 子系统 仿真 和 具体电 路 综 合等各 个设计阶段。 Ver i log HDL 不但作为学习HDL设计方法 的入门和基础是比较合 适的， 而且对于ASIC设计 专业人员 而言， 也是必须掌 握的基本 技 术。 《 Ve r i lo g H DL 程 序设 计》 课程是大学里的电子和计算机工程系的重要课程， 本课 程的目标是学习掌 握Ver i log HDL建模、 仿真、 综合、 重用 和验 证技术， 为以后学习高级的行为综合、 物理综合、 IP设 计和复杂系统设计和验证打下坚实的基础。
学习这门课程的积极性。 1.3 课程内容多课时少 随 着社会 快 速 发 展， 不同领 域 专业 需 要 学习的 东 西 不 断增加和更新。 这样导致每门课程的课时不断减少。 而对于 《 Ver i log HDL程 序设计》 课程， 本身时实践性较强的课 程， 但 是由于内容 较多， 为了完成 理论 课 时 讲解， 分配 给实 践的课程就少了。 这就会导致理论不能及时与实践相结合， 新学的知识无法消化应用， 不能真正掌 握。 1.4 课程实验内容及环境单一 该 课 程 时实 践 性较强的 课 程， 必须 通 过大 量的实践 才 能 掌 握 这门课 程的设 计技 术及设 计方法。 目前关于本课 程 的实验内容 都 是 一 些 验 证 性实验， 按照实验书上的罗列步 骤 进 行 实 验 以 对 所 学 知 识 点 进 行 验 证。 而设 计 性实验较 少， 学生无法真正学会知 识点的应用。 但学生学习这门课程 的关 键 是 会应 用所 学知 识设 计出数字逻 辑电 路及系统。 同 时由于学校费用问题， 实验环境包括EDA工具、 计算机等不 能 随 着集成电 路的发展 和工艺的快 速 发展而及 时更新， 限 制了学生学习新的知识步伐。 针对以上存在的问题， 本文对 《Verilog HDL程序设计》 课程教学方法进行研究， 激发学生学习该课程的主动性， 培养 社会需要的Verilog HDL数字电路及系统设计人才。
硬件描述语言VerilogHDL基础
入zz x x x
CSLG
4、设计举例
试用Verilog语言的门级 元件描述2线-4线译码器.
E1
& Y0
//Gate-level description of a 2-to-4-
line decoder
module _2to4decoder (A1,A0,E,Y);
input A,B,E;
output [3:0] Y;
常量
格式为：<＋/－><位宽>’<基数符号><数 例值如>：3’b101、5’o37、8’he3，8’b1001_0011
实数型常量 十进制记数法 如： 0.1、2.0、5.67
科学记数法 如: 23_5.1e2、5E－4
23510.0、 0.0005
CSLG
❖Verilog允许用参数定义语句定义一个标识 符来代表一个常量，称为符号常量。
CSLG
CSLG
用Verilog HDL描述组合逻辑电路
用VerilogHDL描述组合逻辑电路
❖用VerilogHDL描述组合逻辑电路有三种不 同抽象级别：
▪ 门级描述 ▪ 数据流描述 ▪ 行为级描述
❖VerilogHDL描述的电路就是该电路的 VerilogHDL模型。
CSLG
•门级描述：
一般使用Primitive（内部元件）、自定义的下层模块对电 路描述。主要用于层次化设计中。
多输入端的或非门
多输入端的异或非门
多输出端的反相器
控制信号高电平有效的 三态反相器
控制信号低电平有效的 三态反相器
CSLG
Verilog 基本门级元件
and n-input AND gate
Verilog HDL数字集成电路设计原理与应用 作者 蔡觉平_ 第2章
字，它是Verilog HDL语言内部的专用词，是事先定义好的 确认符，用来组织语言结构。用户不能随便使用这些关键
字。需注意的是，所有关键字都是小写的。例如，
ALWAYS不是关键字，它只是标识符，与always(关键字) 是不同的。表2.1-1所示为Verilog HDL的常用关键字。 11
2.1.1 空白符
空白符包括空格符(\b)、制表符(\t)、换行符和换页符。
空白符使代码看起来结构清晰，阅读起来更方便。在编译 和综合时，空白符被忽略。
Verilog HDL程序可以不分行，也可以加入空白符采用
多行编写。
4
例2.1-1 空白符使用示例。
initial begin a = 3'b100; b = 3'b010; end
表2.1-1 Verilog HDL中的常用关键字
always and assign attribute begin buf bufif0 bufif1 case casex casez cmos deassign end endattribute endcase endmodule endfunction endprimitive endspecify endtable endtask event for force forever fork function highz0 highz1 if initial inout input integer join large macromodule medium module nand negedge nmos nor not notif0 notif1 or output parameter pmos posedge primitive pull0 pull1 pullup pulldown rcmos real realtime reg release repeat rtran rtranif0 rtranif1 scalared signed small specify specparam strength strong0 strong1 supply0 supply1 table task time tran tranif0 tranif1 tri tri0 tri1 triand trior trireg unsigned vectored wait wand weak0 weak1 while wire wor xnor xor
蔡觉平老师,verilog上机作业解析
上机作业题目2：简述begin-end 语句块和fork-join 语句块的区别，并写出下面信号对应的程序代码begin-end 语句块和fork-join 语句块的区别：1、执行顺序：begin-end 语句块按照语句顺序执行，fork-join 语句块所有语句均在同一时刻执行；2、语句前面延迟时间的意义：begin-end 语句块为相对于前一条语句执行结束的时间，fork-join 语句块为相对于并行语句块启动的时间；3、起始时间：begin-end 语句块为首句开始执行的时间，fork-join 语句块为转入并行语句块的时间；4、结束时间：begin-end 语句块为最后一条语句执行结束的时间，fork-join 语句块为执行时间最长的那条语句执行结束的时间；5、行为描述的意义：begin-end 语句块为电路中的数据在时钟及控制信号的作用下，沿数据通道中各级寄存器之间的传送过程。
fork-join 语句块为电路上电后，各电路模块同时开始工作的过程。
程序如下： module b(a,b); output a,b; reg a,b; initial begin a=0; b=1; #10 a=1; fork b=0; #10 b=1; #20 a=0; join#10 b=0; #10 a=1; b=1; endendmoduleA B题目3.分别用阻塞和非阻塞赋值语句描述如下图所示移位寄存器的电路图。
D Q D Q dinclk D Q D Qout3out2out1out0程序如下：module block1(din,clk,out0,out1,out2,out3); input din,clk;output out0,out1,out2,out3;reg out0,out1,out2,out3;always@(posedge clk)beginout3=out2;out2=out1;out1=out0;out0=din;endendmodulemodule non_block1(din,clk,out0,out1,out2,out3); input din,clk;output out0,out1,out2,out3;reg out0,out1,out2,out3;always@(posedge clk)beginout0<=din;out1<=out0;out2<=out1;out3<=out2;endendmodule题目4：设计16位同步计数器要求：（1）分析16位同步计数器结构和电路特点；（2）用硬件描述语言进行设计；（3）编写测试仿真并进行仿真。
第一讲_HDL语言概述
第一讲 Verilog硬件描述语言概述
西安邮电学院通信工程系
Verilog HDL特点2
语言本身提供了各种层次抽象的表述，可以用详细程度有很大差 别的的多层次模块组合来描述一个电路系统。
- 设计面包板和线路板；
- 调试； - 定型； - 设计复杂的系统（几十万门以上）极其困难。
第一讲 Verilog硬件描述语言概述
西安邮电学院通信工程系
怎样设计如此复杂的系统？
现代的设计方法： - 选用合适的 EDA仿真工具； - 选用合适电路图输入和HDL编辑工具； - 逐个编写可综合HDL模块； - 逐个编写HDL测试模块； - 逐个做Verilog HDL 电路逻辑访真； - 编写Verilog HDL总测试模块； - 做系统电路逻辑总仿真；
广泛采用。据统计，在美国硅谷目前约有90％以上的
ASIC和FPGA已采用硬件描述语言方法进行设计。 VHDL和Verilog HDL语言先后成为IEEE标准。
西电微电子学院数字集成电路上机作业
《数字集成电路》上机实验姓名：***班级：***学号：***第一次实验一、实验目的：掌握HSPICES软件的使用方法，用于分析二极管及CMOS反相器的直流特性，通过改变电源电压及MOS管的宽长比得到一组CMOS反相器的电压传输特性曲线，从而理解CMOS反相器电压传输特性曲线的影响因素和调整方法。
二、实验内容：1. 由上图所示，令(1)I S=10-14A，T=300K；(2) I S=10-16A，T=300K；(3) I S=10-14A，T=350K，利用SPICE求解V D1、V D2和I D。
【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB 'D:\Digital\lib\csmc06.LIB' TT.TEMP temvalueR1 1 2 2kR2 3 4 2kD1 2 3 DMODD2 4 0 DMOD.MODEL DMOD D Is=isvalue.PARAM temvalue=27 isvalue=1E-14 V1 1 0 DC 2.5.OP.ALTER.PARAM temvalue=27 isvalue=1E-16 .ALTER.PARAM temvalue=77 isvalue=1E-14 .OPIONS LIST NODE POST=2.END【结果】【分析】V D1=525.4463mv、V D2=525.4463mv和I D=362.2768uA2. (1)由下图所示，令Vin从0V变化到2.5V，步长为0.5V，利用SPICE求M1管电流变化的曲线，判断管子的工作状态；当M1的尺寸变化为W/L=4u/1u时，求I M1，并解释两条曲线存在误差的原因。
【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB 'D:\Digital\lib\mix025_1.lib' TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCM_M1 0 2 1 1 pch L=1U W=4U.DC Vin 0 2.5 0.5.PRINT I(2).OP.OPTION NODE LIST POST.END.TITLE amplifierSHU.LIB 'D:\Digital\lib\mix025_1.lib' TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCM_M1 0 2 1 1 pch L=0.25U W=1U .DC Vin 0 2.5 0.5.PRINT I(2).OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】在1.5V之前是工作在线性区，1.5-2V之间是可变电阻区，2V以后工作在饱和区。
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《Verilog HDL 数字集成电路设计原理与应用》上机作业班级：******* 学号：******* 姓名：*******题目1：数字集成电路的verilog HDL 描述与仿真。
要求：（1）学习使用Modelsim 设计和仿真软件； （2）练习教材7.2.1中的例子；（3）掌握设计代码和测试代码的编写； （4）掌握测试仿真流程；（5）掌握Modelsim 软件的波形验证方式。
解答：题目2： 简述begin-end 语句块和fork-join 语句块的区别，并写出下面信号对应的程序代码A B解答：（1）begin-end语句块和fork-join语句块的区别：1、执行顺序：begin-end语句块按照语句顺序执行，fork-join语句块所有语句均在同一时刻执行；2、语句前面延迟时间的意义：begin-end语句块为相对于前一条语句执行结束的时间，fork-join语句块为相对于并行语句块启动的时间；3、起始时间：begin-end语句块为首句开始执行的时间，fork-join语句块为转入并行语句块的时间；4、结束时间：begin-end语句块为最后一条语句执行结束的时间，fork-join语句块为执行时间最长的那条语句执行结束的时间；5、行为描述的意义：begin-end语句块为电路中的数据在时钟及控制信号的作用下，沿数据通道中各级寄存器之间的传送过程。
fork-join语句块为电路上电后，各电路模块同时开始工作的过程。
（2）程序代码：Begin-end语句：module initial_tb1；reg A,B;initialbeginA=0;B=1;#10 A=1;B=0;#10 B=1;#10 A=0;#10 B=0;#10 A=1;B=1;endendmoduleFrk-join语句：module wave_tb2;reg A,B;parameter T=10;initialforkA=0;B=1;#T A=1;B=0;#(2*T) B=1;#(3*T) A=0;#(4*T) B=0;#(5*T) A=1;B=1;joinendmodule题目3. 分别用阻塞和非阻塞赋值语句描述如下图所示移位寄存器的电路图。
解答：（1）阻塞赋值语句module block2(din,clk,out0,out1,out2,out3);input din,clk;output out0,out1,out2,out3;reg out0,out1,out2,out3;always@(posedge clk)beginout0=din;out1=out0;out2=out1;out3=out2;endendmodule（2）非阻塞赋值语句module non_block1 (din,clk,out0,out1,out2,out3);input din,clk;output out0,out1,out2,out3;reg out0,out1,out2,out3;always@(posedge clk)beginout0<=din;out1<=out0;out2<=out1;out3<=out2;endendmodule题目4：设计16位同步计数器要求：（1）分析16位同步计数器结构和电路特点；（2）用硬件描述语言进行设计；（3）编写测试仿真并进行仿真。
解答：（1）电路特点：同步计数器的时间信号是同步的；每当到达最高计数后就会重新计数。
（2）程序代码：module comp_16 (count, clk, rst );output [15:0] count;input clk,rst;reg [15:0] count;always @ (posedge clk)if (rst)count<=16'b0000000000000000;elseif (count==16'b1111111111111111)count<=16'b0000000000000000;elsecount<=count+1;endmodule（3）仿真代码：module comp_16_tb;wire [15:0] count;reg clk,rst;comp_16 U1 (count, clk, rst );always #1 clk=~clk;initialbeginclk=0;rst=0;#1 rst=1;#10 rst=0;#10 rst=1;#10 rst=0;#99999 $finish;endendmodule题目5. 试用Verilog HDL门级描述方式描述如下图所示的电路。
解答：module zy(D0,D1,D2,D3,S1,S2,T0,T1,T2,T3,Z); output Z;input D0,D1,D2,D3,S1,S2; wire T0,T1,T2,T3,wire1,wire2; not U1(wire1,S1), U2(wire2,S2);and U3(T0,D0,wire2,wire1), U4(T1,D1,S1,wire1), U5(T2,D2,S1,wire2), U6(T3,D3,S1,S2); or U7(Z,T0,T1,T2,T3,); endmodule题目6. 试用查找真值表的方式实现真值表中的加法器，写出Verilog HDL 代码：Z解答：module homework6(SUM,COUT,A,B,CIN);output SUM,COUT;input A,B,CIN;reg SUM,COUT;always@(A or B or CIN)case({A,B,CIN})3'b000:SUM<=0;3'b000:COUT<=0;3'b001:SUM<=1;3'b001:COUT<=0;3'b010:SUM<=1;3'b010:COUT<=0;3'b011:SUM<=0;3'b011:COUT<=1;3'b100:SUM<=1;3'b100:COUT<=0;3'b101:SUM<=0;3'b101:COUT<=1;3'b110:SUM<=0;3'b110:COUT<=1;3'b111:SUM<=1;3'b111: COUT<=1;endcaseendmodule题目7：设计16位同步加法器和乘法器要求：（1）分析16位同步加法器和乘法器结构和电路特点；（2）用硬件描述语言进行设计；（3）编写测试仿真并进行仿真。
解答：（1）16位同步加法器和乘法器结构和电路特点：加法器的进位只用考虑一位，但是乘法器的进位要考虑到32位才行。
（2）程序代码：16位同步加法器：module adder(a,b,c,sum,cout);output [15:0]sum;output cout;input [15:0]a,b;input c;assign {cout,sum}=a+b+c;endmodule16位同步乘法器：module multiplier(a,b,mul);input [15:0]a,b;output [31:0]mul;assign mul=a*b;endmodule（3）仿真代码：16位同步加法器：module adder_tb;reg [15:0]a,b;reg c;wire [15:0]sum;wire cout;initialbegina=8;b=8;c=1;endinitialbegin#10 a=16'b1111111111111111;#10 b=1;endadder U2(.a (a),.b (b),.c(c),.cout(cout),.sum(sum));endmodule16位同步乘法器：module multiplier_tb;reg [15:0]a,b;wire [31:0]mul;initialbegina=3;b=8;endinitialbegin#10 a=100;#15 b=100;endmultiplier U1(.a(a),.b(b),.mul(mul));endmodule仿真截图：加法器：乘法器：题目8. 将下面的状态转移图用Verilog HDL描述。
在图中，状态机的输入只与状态的跳转有关，与状态机的输出无关，因此该状态机为摩尔型状态机。
下面为三段式描述方式。
解答：程序代码：module homework8(clk,out,step,clr);output [2:0]out;input step,clk,clr;reg [2:0]out;reg [1:0]state,next_state;always @(posedge clk)state<=next_state;always @(state or clr)if(clr)next_state<=0;elsecase(state)2'b00:case(step)1'b0:begin next_state<=2'b00;out<=3'b001;end1'b1:begin next_state<=2'b01;out<=3'b001;endendcase2'b01:beginout<=3'b010;next_state<=2'b10;end2'b10:case(step)1'b0:begin next_state<=2'b00;out<=3'b100;end1'b1:begin next_state<=2'b11;out<=3'b100;endendcase2'b11:case(step)1'b0:begin next_state<=2'b11;out<=3'b111;end1'b1:begin next_state<=2'b00;out<=3'b111;endendcaseendcaseendmodule仿真代码：module homework8_tb;reg clk,step,clr;wire [3:0]out;always#5 clk=~clk;initialbegin clk=0;clr=1;step=1;endinitialbegin#5clr=0;#10 step=0;#10step=1;endhomework8 U1(clk,out,step,clr);endmodule仿真截图：题目9. 如下图所示电路，若其延迟时间设定如表所示，试写Verilog HDL程序设计该电路。