### Verilog HDL基础知识及应用实例解析
#### 一、Verilog HDL简介
Verilog是一种硬件描述语言(Hardware Description Language, HDL)，主要用于数字电路的设计、验证和文档记录。它能够描述数字系统的结构、行为以及定时特性，并支持从系统级到门级的设计。
#### 二、Verilog经典设计实例分析
##### 1. 4位全加器 (Example 3.1)
**模块定义:** `adder4` 模块包含两个4位输入向量 `ina` 和 `inb`，一个输入 `cin`（进位），以及一个4位输出向量 `sum` 和一个输出 `cout`（进位）。
**代码实现:**
```verilog
module adder4(cout, sum, ina, inb, cin);
output [3:0] sum;
output cout;
input [3:0] ina, inb;
input cin;
assign {cout, sum} = ina + inb + cin;
endmodule
```
- **功能:** 实现4位二进制数的加法运算。
- **实现方式:** 使用 `assign` 语句直接计算输入向量的和，并将结果分配给 `sum` 和 `cout`。
##### 2. 4位计数器 (Example 3.2)
**模块定义:** `count4` 模块包含一个4位输出向量 `out`，一个复位信号 `reset` 和一个时钟信号 `clk`。
**代码实现:**
```verilog
module count4(out, reset, clk);
output [3:0] out;
input reset, clk;
reg [3:0] out;
always @(posedge clk)
begin
if (reset) out <= 0; // 同步复位
else out <= out + 1; // 计数
end
endmodule
```
- **功能:** 实现一个4位的同步计数器。
- **实现方式:** 使用 `always` 块在时钟上升沿进行操作，通过 `if` 语句实现同步复位。
##### 3. 4位全加器的仿真程序 (Example 3.3)
**仿真环境构建:**
```verilog
`timescale 1ns / 1ns
`include "adder4.v"
module adder_tp;
reg [3:0] a, b;
reg cin;
wire [3:0] sum;
wire cout;
integer i, j;
adder4 adder(sum, cout, a, b, cin);
always #5 cin = ~cin;
initial
begin
a = 0; b = 0; cin = 0;
for (i = 1; i < 16; i = i + 1)
#10 a = i;
end
initial
begin
for (j = 1; j < 16; j = j + 1)
#10 b = j;
end
initial
$monitor($time, "%d + %d + %b = {%b, %d}", a, b, cin, cout, sum);
#160 $finish;
end
endmodule
```
- **功能:** 该仿真程序用于验证4位全加器的功能正确性。
- **实现方式:** 使用 `initial` 块初始化输入值，并通过循环改变输入值进行测试；使用 `always` 块模拟时序信号的变化；使用 `$monitor` 函数监控并打印输出结果。
##### 4. 4位计数器的仿真程序 (Example 3.4)
**仿真环境构建:**
```verilog
`timescale 1ns / 1ns
`include "count4.v"
module coun4_tp;
reg clk, reset;
wire [3:0] out;
parameter DELY = 100;
count4 mycount(out, reset, clk);
always #(DELY / 2) clk = ~clk;
initial
begin
clk = 0; reset = 0;
#DELY reset = 1;
#DELY reset = 0;
#(DELY * 20) $finish;
end
initial
$monitor($time, "clk = %d reset = %d out = %d", clk, reset, out);
endmodule
```
- **功能:** 验证4位计数器的正确性。
- **实现方式:** 类似于4位全加器的仿真程序，但主要关注计数器的时序特性和复位功能。
##### 5. “与-或-非”门电路 (Example 3.5)
**模块定义:** `AOI` 模块包含四个输入 `A`, `B`, `C`, `D` 和一个输出 `F`。
**代码实现:**
```verilog
module AOI(A, B, C, D, F);
input A, B, C, D;
output F;
wire F;
assign F = ~( (A & B) | (C & D) );
endmodule
```
- **功能:** 实现了一个与-或-非逻辑门电路。
- **实现方式:** 使用 `assign` 语句直接计算逻辑函数的结果。
##### 6. 用case语句描述的4选1数据选择器 (Example 5.1)
**模块定义:** `mux4_1` 模块包含四个输入 `in0`, `in1`, `in2`, `in3` 和一个选择信号 `sel`。
**代码实现:**
```verilog
module mux4_1(out, in0, in1, in2, in3, sel);
output out;
input in0, in1, in2, in3;
input [1:0] sel;
reg out;
always @(in0 or in1 or in2 or in3 or sel)
case (sel)
2'b00: out = in0;
2'b01: out = in1;
2'b10: out = in2;
2'b11: out = in3;
default: out = 2'bx;
endcase
endmodule
```
- **功能:** 实现一个4选1的数据选择器。
- **实现方式:** 使用 `case` 语句根据选择信号 `sel` 的值选择输出。
##### 7. 同步置数、同步清零的计数器 (Example 5.2)
**模块定义:** `count` 模块包含一个8位输出 `out`，一个8位数据输入 `data`，一个加载信号 `load`，一个复位信号 `reset` 和一个时钟信号 `clk`。
**代码实现:**
```verilog
module count(out, data, load, reset, clk);
output [7:0] out;
input [7:0] data;
input load, clk, reset;
reg [7:0] out;
always @(posedge clk)
begin
if (!reset)
out = 8'h00; // 同步清0，低电平有效
else if (load)
out = data; // 同步预置
else
out = out + 1; // 计数
end
endmodule
```
- **功能:** 实现了一个具有同步置数和同步清零功能的8位计数器。
- **实现方式:** 在时钟上升沿执行操作，通过 `if` 语句实现同步置数和同步清零功能。
##### 8. 用always过程语句描述的简单算术逻辑单元 (Example 5.3)
**模块定义:** 简单算术逻辑单元模块定义未给出完整代码，但从提供的宏定义可以看出，该模块可能包含多个功能选项，如加法和减法。
以上八个例子展示了Verilog HDL在数字电路设计中的广泛应用，从基本的组合逻辑电路到复杂的时序逻辑电路，以及它们的仿真验证。通过这些例子的学习，可以深入了解Verilog HDL的基本语法和高级特性，为进一步深入学习数字电路设计打下坚实的基础。
csdv20122015-11-17整理得还行。
