明德扬FPGA连载课程第一阶段第三章VERILOG（2）

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3.2 数字3.2.1数字表示方式

      在Verilog中的数字表示方式，最常用的格式是：<</span>位宽>’<</span>基数><</span>数值>，如，4’b1011。

      位宽：描述常量所含位数的十进制整数，是可选项。4’b1011中的4就是位宽。通俗理解就是4根线。如果没有这一项，可以从常量的值推断出。例如’b1011可知位宽是4；’b10010可推断出位宽为5。

       基数：表示数值是多少进制。可以是b，B，d，D，o，O，h或者H，分别表示二进制、十进制、八进制和十六进制。如果没有此项，则缺省默认为十进制数。

      例如，二进制的4’b1011，可以写成十进制的4’d11，也可以写成十六进制的4’hb，或者八进制的4’o13，还可以不写基数直接写成11。不管怎么样，只要二进数相同，写成十进制、八进制和十六进制，都是同样的数字。

      

3.2.2二进制是基础

      在数字电路中，如果芯片A给芯片B传递数据，例如传递0或者1信息。可以将芯片A和芯片B，通过一个管脚进行相连。然后由芯片A控制该管脚为高电平或者低电平，通过高低电平来表示0和1。例如，芯片B检测到该管脚为低电平时，表示收到0；当芯片B检测到该管脚为高电平时，表示收到1。

      如果用低电平表示收到1，用高电平表示收到0，这可不可以呢？当然可以，只要芯片A和芯片B事先协定。芯片A要发数字1时，会将该管脚置为低电平。芯片B检测到该管脚为低电平，知道收到了数字1，通信完成。

       一个管脚拥有高低电平两种状态，可以分别表示数字0和1两种情况。如果芯片A要发数字0、1、2、3给芯片B，那该怎么办呢？

       可以让芯片A和芯片B连接两根管脚，即两条线，a和b。当两条线都为低电平时，表示发送数字0；当a为高电平，b为低电平时，表示发送数字1；当a为低电平，b为高电平时，表示发送数字2；当两条线都是高电平时，表示数字3。

       按照同样的道理，芯片A要发送数据4，5，6，7给芯片B的时候，只要再添加一条线就可以了。三根线一共有8种状态，可以表示8个数字。

      综上所述，我们可能通过线的不同电平状态，表示不同的含义。有多少个不同状态，就可以表示多少个数字。

       如果芯片A要发送+1，-1，0，+2等数字给芯片B，这里有正负了，那又该如何表示呢？参考前面的思想，线的高低电平表示的含义，是由芯片双方向事先约定好的。既然是这样，那么我们拿一根线出来，例如低电平表示正数，高电平表示负数。

       上面就是三根线，我们用线c表示正负，0表示正数，1表示负数。用线a和线b表示数值。

       3’b111，可以解释为十进制数7，也可以解释为有符号数原码“-3”，也可以解释为有符号数补码“-1”，这取决于工程师对二进制数的定义。只要这个定义不影响到电路之间的通信那就绝对不会有问题。

       所以，数字中的“0”和“1”不仅可以表示含义，也可以表示其他意义，如正负符号等。同样的道理，

       在数字电路中，二进制数是其他如八进制、十进制、十六进制、有符号数、无符号数、小数等的根本。在FPGA设计中，不清楚小数、有符号数的计算方法，最根本的原因是不清楚这些数据所对应的二进制值。只要理解了它所对应的二进制值，很多问题都可以解决。

      例如，有初学者经常问，FPGA中如何实现小数计算，如“0.5+0.25”这个功能。

首先，众所周知的，0.5+0.25的结果为0.75。

      其次，我们可以考虑，0.5、0.25和0.75用二进制该如何表示？这取决于工程师的做法，因为这种表示方法有很多种，例如定点小数，浮点小数，甚至如前面所讨论，用几根线自行来定义，只要能正常通信，那就绝对没有问题。

      假设，某工程师用三根线，自行定义了二进制值所表示的小数值。

      为了说明二进制值的意义是可以随便定义的，我特意将数字顺序打乱。当然，有读者可能说为什么只有这几种小数呢？这是因为我假定本系统就只有这几种数字，如果想表示更多数字，那就增加线就行了。

      有了上面定义之后，要实现“0.5+0.25”就很容易了，其实就是3’b001和3’b100“相加”，期望得到3’b010。如果我们直接使用3’b001 + 3’b100，结果为“101”了，不是想要的结果。那怎么办呢？可以这么写：

     当然，这是其中一种写法。总之，只要能实现所对应的功能，结果正确就可以。

有读者问，按上面的表格0.1+0.8应该为0.9，但上面没有0.9的表示。这个其实是设计者这个表格定义有缺陷，或者设计者认为不会出现这个情况吧。总之，笔者要表达的是，只要定义好所对应的二进制数，很多功能是很容易设计的。

      当然，实际的工程中，我们通常会遵守约定成俗的做法，没必要自己搞得另类。例如下面是常用的定点小数的定义。

      现在要实现0+0.5=0.5，也就是3’b000和3’b100相加，期望能得到3’b100。我们发现直接用二进制3’b000+3’b100就可以得到3’b100。

      要实现0.125+0.75=0.8725，也就是3’b001和3’b110相加，期望能得到3’b111。我们发现直接用二进制3’b001+3’b110就可以得到3’b111。  

      要0.5+0.75=1.25，这个1.25已经超出了表示范围，要不就增加信号位宽，要不只能表示小数位。如果只是表示小数位，那结果就是0.25。也就是3’b100和3’b110相加，期望得到3’b010。我们发现3’b100 + 3’b110 = 4’b1010，用3位表示就是3’b010，也就是0.25了。

      综上所述，对于定点小数的计算很简单，就是直接相加。

3.2.3不定态

      前面讲过，数字电路只有高电平和低电平，分别表示1和0。但代码中经常能看到x和z，如1’bx，1’bz。那么这个x和z是什么电平呢？答案是没有实际的电平来对应。这个x和z是更多地用来表示设计者的意图或者用于仿真目的，告诉仿真器和综合器怎么解释这段代码。

      X态，称之为不定态，设计者常用于判断条件，用于告诉综合工具，设计者不关心它的电平是多少，是0还是1都可以。

上面的例子，条件是din==4’b10x0，这个条件等价于din==4’b1000||din==4’b1010，其中“||”是“或”符号。

      明德扬则建议，直接写成din==4’b1000||din==4’b1010，好于写成“din==4’b10x0”，直接简单明了。

      仿真的时候，有些信号产生了不定态，那么设计者就要认真分析，这个不定态是不是应该的。如果真的不关心它是0还是1，那么可以不解决。但明德扬建议，所有信号都不应该处于不定态，是0还是1，写清楚，不要给设计添加“思考”的麻烦。

3.2.4高阻态

      Z态，一般称之为高阻态，表示设计者不驱动这个信号（既不给0也不给1），通常用于三态门接口当中。

      上图就是三态总线的应用案例。图中的连接总线对于CPU和FPGA来说，既当作输入又当作输出，是双向接口。一般的硬件电路中，会将该线接上一个上拉电阻（弱上拉）或下拉电阻（弱下拉）。

      当CPU和FPGA都不驱动该总线时，A点保持为高电平。当FPGA不驱动该总线，CPU驱动该总线时，A点的值就由CPU决定。当CPU不驱动该总线，FPGA驱动该总线时，A点的值就由FPGA决定。FPGA和CPU不能同时驱动该总线，否则A的电平就不确定了。通常FPGA和CPU何时驱动总线，是按协议事先协商好的。

      上图是典型的I2C的时序。I2C的总线SDA就是一个三态信号。I2C协议已规定好上面的时间中，哪段时间是由主设备驱动，哪段时间是由从设备驱动，双方都要遵守协议，不能存在同时驱动的情况。

      那么FPGA在设计中，是如何做到“不驱动”这一行为呢？这是因为FPGA内部有三态门。

      三态门是一个硬件，上图是它的典型结构。三态门有四个接口，例如上图中的写使能wr_en、写数据wr_data、读数据rd_data和与外面器件相连的三态信号data。

      注意写使能信号，当该信号有效时，三态门会将wr_data的值赋给三态线data，此时data的值由wr_data决定，当wr_data为0时，data值就为0；当wr_data为1时，data值就为1。

      当写使能信号无效时，则不管wr_data值是多少，都不会对外面的data值有影响，也就是不驱动。

      那么在Verilog中，是通过如下两行代码来描述这一功能的。

      综合器看到这两行代码，就知道要综合成三态门了。

      这个高阻z的作用就在于这里。而且注意到，硬件上用三态线是为了减少管脚，而在FPGA内部没有必要减少连线，所以使用三态信号是没有意义的。

      也就是说，明德扬的设计建议，FPGA内部不要使用高阻态“z”，没有必要给自己添加“思考”的麻烦。当然，使用了也不会报错，也能实现功能。

      总结一点，高阻态“z”是表示“不驱动总线”这个行为，实际上数字电路就是高电平或者低电平，不存在其他电平的情况。

3.2 数据类型

      Verilog HDL的信号类型有很多种，但主要包括两种数据类型：线网类型(net type) 和寄存器类型（reg type）。明德扬的设计，也是只会使用这两个类型。

3.2.1线网类型wire

      线网类型用于对结构化器件之间的物理连线的建模。如器件的管脚，内部器件如与门的输出等。以上面的加法器为例，输入信号A，B是由外部器件所驱动，异或门X1的输出S1是与异或门X2输入脚相连的物理连接线，它由异或门X1所驱动。

      由于线网类型代表的是物理连接线，因此它不存贮逻辑值。必须由器件所驱动。通常由assign 进行赋值。如 assign  A =  B ^ C；

      wire 类型定义语法如下：

      wire [msb: lsb] wire1, wire2, . . .,wireN;

&#216;  msb 和lsb 定义了范围，表示了位宽。例如[7:0]是8位位宽，也就是可以表示成8’b0至8’b1111_1111；

&#216;  msb和lsb必须为常数值；

&#216;  如果没有定义范围，缺省值为1位；

&#216;  信号没有定义数据类型时，缺省为wire 类型。

&#216;  对数组类型，请按降序方式，如[7：0] ；不要写成[0:7]。

      wire [3:0]   Sat; // S a t 为4 位线型信号

      wire Cnt; //1 位线型信号

      wire [0:31]   Kisp, Pisp, Lisp ;// Kisp, Pisp, Lisp 都是32位的线型信号，不建议这样定义。

3.3.2寄存器类型reg

      reg 是最常用的寄存器类型，寄存器类型通常用于对存储单元的描述，如D型触发器、ROM 等。存储器类型的信号当在某种触发机制下分配了一个值，在分配下一个值之时保留原值。但必须注意的是，reg 类型的变量，不一定是存储单元，如在always 语句中进行描述的必须用reg 类型的变量。

      reg 类型定义语法如下：

      reg  [msb: lsb] reg1, reg2, . . . r e g N;

&#216;  msb 和lsb 定义了范围，表示了位宽。例如[7:0]是8位位宽，也就是可以表示成8’b0至8’b1111_1111；

&#216;  msb和lsb必须为常数值；

&#216;  如果没有定义范围，缺省值为1位；

&#216;  信号没有定义数据类型时，缺省为wire 类型，不是reg型。

&#216;  对数组类型，请按降序方式，如[7：0] ；不要写成[0:7]。

例如：

reg [3:0]   Sat; // S a t 为4 位寄存器。

reg Cnt; //1 位寄存器。

reg [1:32]  Kisp, Pisp, Lisp ;

3.3.3Wire和reg定义的场合区分

      Reg型信号不一定生成寄存器。那么什么时候使用wire类型，什么时候用reg类型，明德扬总结出一套方法：在本模块中，使用always设计的信号都定义为reg型；其他都用wire型。

       上面代码中，cnt1是用always设计的，所以要用reg型。Add_cnt1和end_cnt不是由always产生的，所以定义为wire型。