Verilog-HDL与CPLD/FPGA设计应用讲座

 第 5 讲 典型基本逻辑路的Verilog-HDL描述  
5.1 数据选择器  
5.2 编码器  
5.3 同步RS触发器  
5.4 带有复位端的同步D触发器  

　　本讲列举几个典型又简单的基本逻辑电路的Verilog-HDL描述。需要说明，仅有本讲的知识还不能具备用Verilog-HDL描述逻辑电路和系统的基本功，但却可以通过几个例子了解Verilog-HDL描述逻辑电路的过程和方法。

5.1 数据选择器

　　数据选择器又称为多路开关，简称MUX（Multiplexer）。它的逻辑功能是在地址选择信号SEL的控制下，从多路输入(A、B…)数据中选择某一路数据作为输出，一个2-1数据选择器的逻辑电路符号如图1所示。

  
  　　　　图1 2-1数据选择器的逻辑符号

　　逻辑电路如图2所示，有关A、B及SEL的解释读者还可参考有关书籍(1)。
  
 
　　　　　　　　　　　　　　　图2 2-1数据选择器的逻辑电路

例1 2-1数据选择器的Verilog-HDL描述

/* 2-1 SELECTOR */

module SEL ( A, B, SEL, F ); //模块名及端口参数，范围至endmodule。

　　input 　A, B, SEL; //输入端口定义

　　output 　F ; //输出端口定义

　　assign F = ~SEL & A | SEL & B; //assign语句，实现功能：F=(/SEL·A)+(SEL·B)。

endmodule //模块结束

例2 使用case语句的2-1数据选择器

/* 2-1 SELECTOR */

module SEL ( A, B, SEL, F ); 　　　　 //模块名及参数定义，范围至endmodule。

　　input A, B, SEL; 　　　　　　　　//输入端口定义

　　output F; 　　　　　　　　 　　　//输出端口定义

　　assign F = SEL2_1_FUNC ( A, B, SEL ); 　　//用assign语句实现function函数调用

　　function SEL2_1_FUNC; 　　　　　　　　　　//function函数及函数名，至endfunction为止。

　　　　input A, B, SEL; 　　　　　　　　　　//输入端口定义

　　　　case ( SEL ) 　　　　　　　　　　　　//case语句，至于endcase为止。

　　　　　　0: SEL2_1_FUNC = A; 　　　　　　　//功能：SEL=0时，返回A。

　　　　　　1: SEL2_1_FUNC = B; 　　　　　　　//功能：SEL=1时，返回B。

　　　　endcase 　　　　　　　　　　　　　　//case语句结束

　　endfunction 　　　　　　　　　　　　　　//function函数结束

endmodule 　　　　　　　　　　　　　　　　　//模块结束

【解说】if_else语句的使用方法

　　if_else 语句用来先判定所给的条件是否满足，然后根据判定的结果（真或假）来执行所给出的两种操作之一。

例3 使用if_else语句的2-1数据选择器

　　/* 2-1 SELECTOR */

module SEL ( A, B, SEL, F ); 　//模块名及参数定义，范围至endmodule。

　　input A, B, SEL;　　　　 　//输入端口定义

　　output F; 　　　　　　　　//输出端口定义

　　assign F = SEL2_1_FUNC ( A, B, SEL ); //用assign语句实现function函数调用

　　function SEL2_1_FUNC; 　　　　　　　　//function函数及函数名，至endfunction为止。

　　　　input A, B, SEL; 　　　　　　　　　//输入端口定义

　　　　if ( SEL == 0 ) 　　　　　　　　　　// if语句，与else配合使用。

　　　　　　SEL2_1_FUNC = A; 　　　　　　　//如果SEL= 0，则返回A。

　　　　　　else　　　　　　　　　　　　　//if相呼应

　　　　　　SEL2_1_FUNC = B; 　　　　　　　//否则返回B

　　endfunction 　　　　　　　　　　　　　//function函数结束

endmodule 　　　　　　　　　　　　　　　　//模块结束

　　【解说】function函数

　　function函数的目的是返回一个用于表达式的值 ，函数的形式为：

　　function <返回值位宽或类型说明> 函数名；

　　　　端口定义；

　　　　局部变量定义；

　　　　其他语句；

　　endfunction

　　在例2中，用到了function函数。

　　下面是2-1数据选择器的测试模块。

　　例4 2-1数据选择器的测试模块

　　/* 2-1 SELECTOR_TEST */

`timescale 1ns/1ns 　　　　　　　　　　//将仿真的单位设定为 1ns

module SEL_TEST; 　　　　　　　　　　　//测试模块名及参数定义，范围至endmodule。

　　reg [1:0] IN; 　　　　　　　　　　　//寄存器定义，输入端口，数据宽度为2bit。

　　reg SEL_IN; 　　　　　　　　　　　　//寄存器定义，输入端口。

　　wire F; 　　　　　　　　　　　　　　//线网定义，输出端口。

　　SEL SEL ( IN[0], IN[1], SEL_IN, F ); //底层模块名、实例名及参数。

　　always #150 SEL_IN = ~SEL_IN; 　　　//每隔150ns，SEL_IN反相一次(注1)。

　　always #50 IN = IN + 1; 　　　　　　//每隔50ns，IN = IN + 1(注2)。

　　initial begin 　　　　　　　　　　　//从initial始，输入信号变化。begin与end相呼应。

　　SEL_IN = 0; IN = 0; 　　　　　　　　//一开始，SEL_IN = 0，IN = 0。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//之后，按(注1)、(注2)规律变化。

　　#450 $finish; 　　　　　　　　　　　//仿真到450ns时结束

　　end 　　　　　　　　　　　　　　　　//与begin呼应

endmodule 　　　　　　　　　　　　　　//模块结束

　　Verilog HDL 提供了多种编写测试模块的方法。上例中的 always 语句意指反复执行。例如"always #50 IN = IN + 1;"是说每隔一个仿真单位（在此为50ns）IN便加1；而"always #150 SEL_IN = ~SEL_IN;"是说每隔一个仿真单位（在此为150ns）SEL_IN便反转一次。在initial程序段中，将 "SEL_IN" 和 "IN" 初始化为0，并用"#450 $finish"标示仿真在450ns时结束。
　　图3给出了2-1数据选择器的仿真结果。通过该图我们可以验证用Verilog-HDL描述的数据选择器是否正确。例如：随机抽取其中的某个时刻（光标指向处）。此时，SEL_IN=0,IN[0]=0,IN[1]=1，F=0。符合数据选择器的功能。
 
  

                                                       图3 2-1数据选择器的仿真结果

5.2 编码器
　　在数字系统中，常需要将特定意义的信息编成若干二进制代码，这个过程称为编码，实现编码的数字电路称为编码器。
　　图4示出了一个2位二进制编码器的功能框图。它有4个输入端，即IN0、IN1、IN2和IN3，2个输出端Y0和Y1。在此，设图中的4个开关在同一时刻只有一个闭合，并规定开关处于打开状态时，对应的输入为逻辑"0"，闭合时为逻辑"1"。

　　　　　　　　　图4 二进制编码器的功能框图

　　上述二进制编码器的真值表如表1所示。

 
　　　　　　　　表1 二进制编码器的真值表
 
　　由此可知其逻辑表达式为：

　　Y0= IN1+ IN3
　　Y1= IN2+ IN3

　　由逻辑关系式便可以很容易地画出逻辑电路，如图5所示。由逻辑电路图可知，当Y0 和Y1均为逻辑"0"时，与输入IN0没有任何关系。因此，当4个开关都打开时，输出Y0 和Y1也为逻辑"0"。这在实际应用问题中是需要考虑的，在此不作进一步的讨论。
   

图5 二进制编码器的逻辑电路

例5 2位二进制编码器的Verilog-HDL描述
/* Data Difinision */
`define SW_IN0 4'b0001 　　　　　//编译时，将SW_IN0转换为4bit的二进制数0001
`define SW_IN1 4'b0010 　　　　　//编译时，将SW_IN0转换为4bit的二进制数0010
`define SW_IN2 4'b0100 　　　　　//编译时，将SW_IN0转换为4bit的二进制数0100
`define SW_IN3 4'b1000 　　　　　//编译时，将SW_IN0转换为4bit的二进制数1000
/* ENCORDER */
module ENC ( IN, Y ); 　　　　　　　　　//模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　input [3:0] IN; 　　　　　　　　　　//输入端口定义
　　output [1:0] Y; 　　　　　　　　　　//输出端口定义
　　assign Y = FUNC_ENC ( IN ); 　　　　//用assign语句实现function函数调用

　　function [1:0] FUNC_ENC; 　　　　　//function函数及函数名，至endfunction为止。

　　input [3:0] IN; 　　　　　　　　　　//输入端口定义

　　case ( IN ) 　　　　　　　　　　　　//case语句，至于endcase为止。

　　　　`SW_IN0: FUNC_ENC = 0; 　　　　　//当IN= SW_IN0时，返回0。

　　　　`SW_IN1: FUNC_ENC = 1; 　　　　　//当IN= SW_IN1时，返回1。

　　　　`SW_IN2: FUNC_ENC = 2; 　　　　　//当IN= SW_IN2时，返回2。

　　　　`SW_IN3: FUNC_ENC = 3; 　　　　　//当IN= SW_IN3时，返回3。

　　endcase 　　　　　　　　　　　　　　//case语句结束

　　endfunction 　　　　　　　　　　　　//function函数结束
endmodule 　　　　　　　　　　　　　　　//模块结束

例6 2位二进制编码器的测试模块
`timescale 1ns/1ns
/* ENCORDER_TEST */
module ENC_TEST; 　　　　　　　　　　　　//测试模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　reg [3:0] IN; 　　　　　　　　　　　　//寄存器定义，输入端口，数据宽度为4bit。
　　wire [1:0] Y; 　　　　　　　　　　　　//线网定义，输出端口，数据宽度为2bit。
　　integer i,j; 　　　　　　　　　　　　//定义i、j为抽象型整形数。

　　ENC ENC ( IN, Y ); 　　　　　　　　　//底层模块名、实例名及参数。

　　initial begin 　　　　　　　　　　　//从initial始，输入信号变化。begin与end相呼应。

　　j = {2'b10, 2'b0, 1'b1}; 　　　　　　//位拼接运算，意为10与00与1拼接。

　　for ( i = 0; i <= 3; i = i + 1 ) 　　//循环，在begin与end之间。

　　begin 　　　　　　　　　// begin与end相呼应

　　j=j>>1; 　　　　　　　　//右移1位

　　IN = j[3:0]; 　　　　　　//代入

　　#200; 　　　　　　　　　//经过200ns

　　end 　　　　　　　　　　//与begin呼应

　　$finish; 　　　　　　　//停止运行

　　end 　　　　　　　　　　//与begin呼应

endmodule 　　　　　　　　//模块结束

　　2位二进制编码器的的仿真结果如图6所示，IN表示编码器的输入，Y表示输出。通过观察，可以得到仿真结果和前述设计的2位二进制编码器完全一致。即：当IN为"1000、0100、0010、0001"时，Y对应为"11、10、01、00"。

  
                                           图6 2位二进制编码器的仿真结果

5.3 同步RS触发器
　　同步RS触发器有一个时钟端CLK。只有在时钟端的信号电平发生上跳（正触发）或下跳（负触发）时，触发器的输出才发生变化。
图7为正触发型同步RS触发器的逻辑符号。R和S为输入端，CLK为时钟端，上升沿触发有效，Q和 是互为反相的输出端。

  
  　　图7　正触发型同步RS触发器的逻辑符号

　　图8为正触发型同步RS触发器的时序图。从图中可以看出，只有当时钟脉冲CLK的上升沿到来时电路的输出状态才有可能发生变化，而变化与否又取决于R端和S端。R端和S端均为低电平时，输出保持电路原有状态（在图8中，原有状态为"不定"）；R端和S端分别为高电平和低电平时，输出Q为低电平；R端和S 端分别为低电平和高电平时，输出Q为高电平；R端和S端均为高电平时，输出为"不定"。在实际应用中应避免这种R端和S端均为高电平的情况出现。

 
 　　　　　　　　　图8　正触发型同步RS触发器的时序图

例7 同步RS触发器的Verilog-HDL描述
/* SY_RS_FF */
module SY_RS_FF ( R, S, CLK, Q, QB ); //模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　input R, S, CLK; 　　　　　　　　//输入端口定义
　　output Q, QB; 　　　　　　　　　//输出端口定义
　　reg Q; 　　　　　　　　　　　　　//寄存器定义
　　assign QB = ~Q; 　　　　　　　　//assign语句，QB=/Q。
　　always @( posedge CLK ) 　　　　//在CLK的上跳沿，执行以下语句。
　　case ({ R ,S }) 　　　　　　　　//case语句，至于endcase为止。
　　　　1:Q <= 1; 　　　　　　　　　//当R,S的组合为01，则令Q=1。
　　　　2:Q <= 0;　　　　　　　　 　//当R,S的组合为01，则令Q=1。
　　　　3:Q <= 1'bx; 　　　　　　　　//当R,S的组合为11，则令Q为1bit的数，数值为不定(x)。
　　endcase　　　　　　　　　　　　//case语句结束
endmodule 　　　　　　　　　　　　　//模块结束

例8 同步RS触发器的测试模块
/* SY_RS_FF_TEST */
`timescale 1ns/1ns 　　 　　　 　　　 　　　//将仿真的单位设定为 1ns
module SY_RS_FF_TEST; 　　 　　　 　　 　 　//测试模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　reg R, S, CLK; 　　 　　　 　　　 　　　//寄存器定义，输入端口。
　　wire Q, QB; 　　 　　　 　　　 　　　 　//线网定义，输出端口。
　　Parameter STEP = 40; 　　 　　　 　　 　//定义STEP为40，在以后，凡STEP都视为40。

　　SY_RS_FF SY_RS_FF ( R, S, CLK, Q, QB ); 　//底层模块名、实例名及参数。

　　always #( STEP/2 ) CLK = ~CLK; 　　 　　//每隔STEP/2，CLK就反转一次。
　　initial begin 　　 　　　 　　　 　 　//从initial始，输入信号变化。begin与end相呼应。
　　CLK = 1; R = 0; S = 0; 　　 　　　 　 　//参数初始化
　　#( 2*STEP-10 ) R = 1; 　　 　　　 　　 　//在经过( 2*STEP-10 )后，R = 1。
　　#( STEP/2 ) R = 0; 　　 　　　 　　　 　　//在经过( STEP/2 )后，R = 0。
　　#( STEP/2 ) S = 1; 　　 　　　 　　　 　　//在经过( STEP/2 )后，S = 1。
　　#STEP R = 1; 　　 　　　 　　　 　　　 　//在经过STEP后，R = 1。
　　#( STEP/2 ) S = 0; 　　 　　　 　　　 　//在经过( STEP/2 )后，S = 0。
　　#STEP R = 0; 　　 　　　 　　　 　　　 　//在经过STEP后，R = 0。
　　#STEP $finish; 　　 　　　 　　　 　　　//在经过STEP后，停止运行。
　　end 　　 　　　 　　　 　　　 　　　 　//与begin呼应
endmodule 　　 　　　 　　　 　　　 　　　//模块结束

　　图9为同步RS触发器的仿真结果。由图可以看出，当R端和S端均为相同电平时，输出波形为"不变"或"不定"。

  
                                                     图9 同步RS触发器的仿真结果

5.4 带有复位端的同步D触发器［To top］
　　在同步D触发器的实际应用中，有时需要有一个非同步的复位端。这种D触发器的逻辑符号如图10所示。其时序图如图11所示。

 
                图10 带有复位端的同步D触发器的逻辑符号

 
　　　　　图11 带有复位端的同步D触发器的时序图

　　从图11可以看出，在初始状态下，电路的逻辑处于"不定"状态，复位脉冲的到来将电路初始化为Q=0的状态。随后，在D端的控制下，电路的状态作相应的翻转。图中，t1-t6时刻说明了电路的逻辑状态。

带有复位端的同步D触发器的Verilog-HDL描述

例9 带有R端D触发器的Verilog-HDL描述

/* R_SY_D_FF */

module R_SY_D_FF ( RB, D, CLK, Q, QB ); 　//模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　input RB, D, CLK; 　　　　　　　　　　//输入端口定义
　　output Q, QB ; 　　　　　　　　　　　//输出端口定义
　　reg Q; 　　　　　　　　　　　　　　　//寄存器定义

　　assign QB = ~Q; 　　　　　　　　　　　　//assign语句，QB=/Q。
　　always @( posedge CLK or negedge RB ) //如果CLK端有上跳或RB端有下跳脉冲，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//则执行下面（Q <= ( !RB )? 0: D;）的语句。
　　Q <= ( !RB )? 0: D; 　　　　　　　　　　//如果RB是低电平，则Q=0，否则Q=D。
endmodule 　　　　　　　　　　　　　　　　　//模块结束

例10 D触发器的测试模块
`timescale 1ns/1ns 　　　　//将仿真的单位设定为 1ns
module R_SY_D_FF_TEST; 　　//模块名及参数定义，范围至endmodule。
　　reg RB, D, CLK; 　　　//寄存器定义，输入端口。
　　wire Q, QB; 　　　　　//线网定义，输出端口。
　　parameter STEP = 50; //定义STEP为50，在以后，凡STEP都视为50。

　　R_SY_D_FF R_SY_D_FF ( RB, D, CLK, Q, QB ); //底层模块名、实例名及参数。 always #( STEP/2 ) 　　CLK = ~CLK; 　　　　　　　　　　　　　　　　//每隔STEP/2，CLK就反转一次。

　　initial
　　begin 　　　　　　　　　　　//从initial始，输入信号变化。begin与end相呼应。

　　RB = 1; D = 0; CLK = 0; 　　//参数初始化

　　#( STEP/4 ) RB = 0;　　　　 //在经过( STEP/4 )后，RB = 0。

　　#( STEP*3/4 ) D = 1; 　　　//在经过( STEP*3/4 )后，D = 1。

　　#( STEP/4 ) RB = 1; 　　　//在经过( STEP/4 )后，RB = 1。

　　#( 2*STEP ) D = 0; 　　　　//在经过( 2*STEP )后，D = 0。

　　#STEP D = 1; 　　　　　　　//在经过STEP后，D = 1。

　　#( STEP/2 ) RB = 0; 　　　//在经过( STEP/2 )后，RB = 0。

　　#( STEP/2 ) RB = 1;　　　 //在经过( STEP/2 )后，RB = 1。

　　#( STEP/4 ) $finish; 　　//在经过STEP后，停止运行。

　　end 　　　　　　　　　　//与begin呼应

endmodule 　　　　　　　　　//模块结束

　　图12示出了带有复位端的同步D触发器的仿真结果。RB是复位信号，当RB="0"时，Q="0"。从图中可以看出：在复位信号RB的作用下，Q="0"。其后，RB="1"。当CLK的上跳沿到来时，Q就变化为和D相同的状态；上跳沿以外的其它时刻，Q保持状态不变。

　　　　　　　　　　　图12 带有复位端的同步D触发器的仿真结果
参考书
(1) John M. Yarbrough著，李书浩等译：数字逻辑应用与设计, 机械工业出版社，北京，pp141-145, 2000.4.
(2) 夏宇闻：复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术，北京航空航天大学出版社，1998.
(3) 常晓明：Verilog-HDL实践与应用系统设计，北京航空航天大学出版社, 2003.1.