HDLBits_Verilog Language_Procedures

HDLBits鏈接

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組合邏輯的always塊

[David說]：

考慮到硬件的可綜合性，有兩種always塊是有意義的：

• 組合：always @(*)
• 時序：always @(posedge clk)

組合邏輯的always塊和assign賦值是等價的，使用哪一種完全看哪一種更方便。always塊內可有更豐富的狀態，如if-then，case等，但不能有連續賦值語句assign。

如果在always塊內指定了特定的信號，但沒有的話，和always(*)綜合結果相同，此時功能仿真結果和硬件結果就有所差異。

assign賦值語句的左邊一般為wire類型，always塊中左邊的變量一般為reg類型。這些類型與硬件綜合無關，僅是verilog語法的要求。

題目描述：

使用賦值語句和組合always塊兩種方式構建與門。

Solution：

module top_module(input a, input b,output wire out_assign,output reg out_alwaysblock );assign out_assign = a & b;always @(*) beginout_alwaysblock = a & b; end endmodule

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時序邏輯的always塊

[David說]：時序always塊可像組合always塊那樣生成電路，同時也會生成一系列的觸發器，寄存器等，因為輸出要等到下個時鐘延才能輸出。

阻塞賦值 vs 非阻塞賦值

verilog中有三種賦值方式：

• 連續賦值(assign x=y;)，只能在always塊外使用。
• 阻塞賦值(x=y;)，只能在always塊內使用。
• 非阻塞賦值(x<=y;)只能在always塊內使用。

在組合邏輯的always塊中(always @(*))使用阻塞賦值語句；

在時序邏輯的always塊中(always @(posedge clk))使用非阻塞賦值語句。

題目描述：

使用賦值語句、組合always塊和時序always塊三種方式構建一個異或門。

Solution:

module top_module(input clk,input a,input b,output wire out_assign,output reg out_always_comb,output reg out_always_ff );assign out_assign = a ^ b;always @(*) beginout_always_comb = a ^ b;endalways @(posedge clk) beginout_always_ff <= a ^ b;end endmodule

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IF選擇器

[David說]：

一個if語句會產生一個2選1的數據選擇器，需注意的是，并不是if選擇的那路數據才被實現成電路模式，而是if和else兩路都被實現為電路形式然后用選擇器選擇輸出。

if的兩種方式：

always @(*) beginif (condition) beginout = x;endelse beginout = y;end end assign out = (condition) ? x : y;

題目描述：

2-1選擇器

sel_b1sel_b2out_assign/out_always

0	0	a
0	1	a
1	0	a
1	1	b

Solution:

module top_module(input a,input b,input sel_b1,input sel_b2,output wire out_assign,output reg out_always ); assign out_assign=(sel_b1&sel_b2)?b:a;always @(*) beginif(sel_b2&sel_b1) beginout_always = b;endelse beginout_always = a;endend endmodule

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IF中鎖存器問題

[David說]：

如何避免在使用if語句時生成鎖存器？

tip：鎖存器與觸發器的區別？

• 鎖存器是一種對脈沖電平（也就是0或者1）敏感的存儲單元電路，而觸發器是一種對脈沖邊沿（即上升沿或者下降沿）敏感的存儲電路。

當我們在設計電路時，不能直接先寫成代碼然后期望它直接生成為合適的電路，如下典型錯誤所示：

• If (cpu_overheated) then shut_off_computer = 1;
• If (~arrived) then keep_driving = ~gas_tank_empty;

語法上正確的代碼并不意味著設計成的電路也是合理的。我們來思考這么一個問題，如上圖的錯誤示例，如果if條件不滿足，輸出如何變化呢？Verilog給出的解決方法是：保持輸出不變。因為組合邏輯電路不能記錄當前的狀態，所以就會綜合出鎖存器。

所以當我們使用if語句或者case語句時，我們必須考慮到所有情況并給對應情況的輸出進行賦值，就意味著我們要為else或者default中的輸出賦值。

題目描述：找BUG，解決下面的代碼中包含的創建鎖存器的不正確行為。

always @(*) beginif (cpu_overheated)shut_off_computer = 1; endalways @(*) beginif (~arrived)keep_driving = ~gas_tank_empty; end

Solution：

module top_module (input cpu_overheated,output reg shut_off_computer,input arrived,input gas_tank_empty,output reg keep_driving ); //always @(*) beginif (cpu_overheated) beginshut_off_computer = 1;endelse beginshut_off_computer = 0;endendalways @(*) beginif (~arrived) beginkeep_driving = ~gas_tank_empty;endelse beginkeep_driving = 0;endendendmodule

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Case語句

[David說]：

在Verilog中，case語句與if-elseif-else相近，與c語言中的switch差別較大，示例如下：

always @(*) begin // This is a combinational circuitcase (in)1'b1: begin out = 1'b1; // begin-end if statement >1end1'b0: out = 1'b0;default: out = 1'bx;endcase end

• case語句以case開始，每個case的選項以分號結束。
• 每個case的選項中只能執行一個statement，所以就無需break語句。但如果我們想在一個case選項中執行多個statement，就需要使用begin...end
• case中可以有重復的case item，首次匹配的將會被執行。

題目描述：6-1數據選擇器

Be careful of inferring latches！(需添加Default)

Solution：

module top_module ( input [2:0] sel, input [3:0] data0,input [3:0] data1,input [3:0] data2,input [3:0] data3,input [3:0] data4,input [3:0] data5,output reg [3:0] out );//always@(*) begin // This is a combinational circuitcase(sel)3'b000:out=data0;3'b001:out=data1;3'b010:out=data2;3'b011:out=data3;3'b100:out=data4;3'b101:out=data5;default:out=3'b0;endcaseendendmodule

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優先編碼器

題目描述：優先編碼器是一種組合電路，當給定輸入位向量時，輸出該向量中第一個1的位置。 例如，給定輸入8’b10010000的8位優先級編碼器將輸出3’d4，因為bit [4]是高的第一位。

構建一個4位優先級編碼器。 對于此問題，如果所有輸入位都不為高（即輸入為零），則輸出零。 請注意，一個4位數字具有16種可能的組合。

Solution：

1、根據慣性思維使用case語法，列出每一種情況，然后列出其對應的輸出。

case(input)4'b0001: output = 1;.......4'b1111:output = 1;default: output = 0;endcase

2、如果按上述思路來寫，那么更多位的優先編碼器如何實現呢？其實有更簡單的方法，目前既不用casex也不用casez，這兩位要在后面出場。來看另一種思路：

module top_module (input [3:0] in,output reg [1:0] pos );always @(*) begincase(1)in[0]:pos = 0;in[1]:pos = 1;in[2]:pos = 2;in[3]:pos = 3;default:pos = 0;endcaseend endmodule

根據上面所說的case的性質，case中可以有重復的case item，但首次匹配的才會被執行。再看上面的case語句，即從低到高位去比較in中是否有數據位為1，下面即使有重復為1的也只會執行首次匹配的操作。如此，N位優先編碼器只需要N個case分支即可，大大簡化代碼量。

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casez實現優先編碼器

題目描述：

為8位輸入構建優先級編碼器。當給定輸入位向量時，輸出該向量中第一個1的位置。如果輸入向量沒有高位，則報告為零。 例如，給定輸入8’b10010000的8位優先級編碼器將輸出3’d4，因為bit [4]是高的第一位。

[David說]：由上一個練習我們知道，case語句中將有256種case item，使用casez以后，我們可以減少需比較的case item，這就是casez的目的，在比較中，將值z的位視作無關位。

所以上題的另一種解法為：

always @(*) begincasez (in[3:0])4'bzzz1: out = 0; // in[3:1] can be anything4'bzz1z: out = 1;4'bz1zz: out = 2;4'b1zzz: out = 3;default: out = 0;endcase end

case語句的行為就好像是按順序檢查每個項一樣(實際上，它所做的事情更像是生成一個巨大的真值表，然后進行門操作)。注意某些輸入(例如4’b1111)是如何匹配多個case項的。選擇第一個匹配項(因此4’b1111匹配第一個項目，out = 0，但不匹配后面的任何項目)。

• 還有類似的casex，它將x和z均無視掉，但用它來代替casez的意義不大。
• 符號?是z的同義詞，所以2‘bz0=2’b?0

Solution：

module top_module (input [7:0] in,output reg [2:0] pos );always @(*) begincasez(in)8'bzzzzzzz1:pos=0;8'bzzzzzz1z:pos=1;8'bzzzzz1zz:pos=2;8'bzzzz1zzz:pos=3;8'bzzz1zzzz:pos=4;8'bzz1zzzzz:pos=5;8'bz1zzzzzz:pos=6;8'b1zzzzzzz:pos=7;default:pos=0;endcaseend endmodule

該題也可以按Priority encoder中的解法2來寫，復雜度甚至更低。

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去除鎖存器

題目描述：

假設構建一個電路來處理游戲的PS/2鍵盤上的掃描代碼。對于收到的最后兩個字節的掃描碼，我們需要指示是否按下了鍵盤上的一個方向鍵。這涉及到一個相當簡單的映射，它可以實現為一個case語句(或if-elseif)，包含四個case。

電路有一個16位輸入和四個輸出。建立能識別這四種掃描碼并正確輸出的電路。

Scancode[15:0]Arrow key

16’he06b	left arrow
16’he072	down arrow
16’he074	right arrow
16’he075	up arrow
Anything else	none

[David說]：為避免生成鎖存器，所有的輸入情況必須要被考慮到。但僅有一個簡單的default是不夠的，我們必須在case item和default中為4個輸出進行賦值，這會導致很多不必要的代碼編寫。

一種簡單的方式就是對輸出先進行賦初值的操作，這種類型的代碼確保在所有可能的情況下輸出都被賦值，除非case語句覆蓋了賦值。這也意味著不再需要缺省的default項。如下面示例代碼：

always @(*) beginup = 1'b0; down = 1'b0; left = 1'b0; right = 1'b0;case (scancode)... // Set to 1 as necessary.endcase end

Solution：

module top_module (input [15:0] scancode,output reg left,output reg down,output reg right,output reg up ); always @(*) beginleft=0;down=0;right=0;up=0;case(scancode)16'he06b:left=1;16'he072:down=1;16'he074:right=1;16'he075:up=1;endcaseend endmodule

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總結：

• 學習了組合和時序兩種always塊，并知曉了兩種類型的always塊中變量的類型即賦值方式。何時使用wire與reg，何時用阻塞和非阻塞賦值。

• 學習了如何在使用if和case語句時避免生成鎖存器：

  將所有狀態均考慮到并為其輸出賦值，考慮不全可用else/default。

  在case之前為所有輸出賦初值，這樣可以不用使用default，除非滿足case item進行覆蓋賦值，否則仍保持初值。

• 學習了case語句的妙用，以及使用casez忽略無關位，更簡便的實現優先編碼器。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的HDLBits答案(4)_如何避免生成锁存器？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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