Always块(组合)

由于数字电路由用导线连接的逻辑门组成，因此任何电路都可以表示为模块和分配语句的某种组合。但是，有时这不是描述电路的最方便方法。过程（始终以块为例）提供了描述电路的替代语法。

对于合成硬件（synthesizing hardware），两种类型的始终块是相关的：

• 组合：always @(*)

• 时钟：always @(posedge clk)

组合always块等价于assign语句，因此总有一种方法可以双向表达组合电路。选择使用哪种语法主要是哪种语法更方便的问题。过程块内代码的语法与过程块外部的代码不同。过程块具有更丰富的语句集（例如，if-then，case），不能包含连续赋值，但也引入了许多新的非直观错误方式。*(*过程连续赋值确实存在，但与连续赋值有些不同，并且不可合成。

例如，assign和combinational always块描述相同的电路。两者都创建相同的组合逻辑。每当任何输入（右侧）更改值时，两者都将重新计算输出。

assign out1 = a & b | c ^ d;

always @(*) out2 = a & b | c ^ d;

对于组合always块，始终使用敏感度列表 （*）。明确列出信号容易出错（如果您错过了一个信号），并且在硬件合成中被忽略。如果显式指定灵敏度列表并错过信号，则合成的硬件仍将像指定 （*） 一样，但模拟(simulation)不会与硬件的行为不匹配。（在 SystemVerilog 中，使用 always_comb。)

关于 wire vs. reg 的说明：assign 语句的左侧必须是网络类型（例如，wire），而过程赋值的左侧（在 always 块中）必须是变量类型（例如，reg）。这些类型（wire vs. reg）与合成的硬件无关，只是Verilog用作硬件模拟语言时遗留下来的语法。

一点练习

使用 assign 语句和组合always块构建 AND 门。（由于赋值语句和组合块的功能始终相同，因此无法强制使用这两种方法。但你是来练习的，对吧?...）

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module(
    input a, 
    input b,
    output wire out_assign,
    output reg out_alwaysblock
);
assign out_assign=a&b;
    always@(*)begin
       out_alwaysblock=a&b;
    end
endmodule

Always块(时钟)

对于硬件综合，有两种类型的始终块是相关的：

• 组合：always @(*)

• 时钟：always @(posedge clk)

时钟always块创建一个组合逻辑块，就像组合always块一样，但也在组合逻辑的blob的输出端创建一组触发器（或“寄存器”）。输出不是立即可见，而是输出仅在下一个（posedge clk）之后。

阻塞与非阻塞分配

Verilog 中有三种类型的分配：

• 连续赋值（assign x = y;）。只能在不在过程(procedure)中使用（“always块”）。

• 过程阻塞赋值：（x = y;）。只能在过程（procedure）中使用。

• 过程性非阻塞赋值：（x <= y;）。只能在过程（procedure）中使用。

在组合“always块”中，使用阻塞赋值。在时钟“always块”中，使用非阻塞赋值。充分了解原因对于硬件设计并不是特别有用，并且需要很好地了解Verilog模拟器如何跟踪事件。不遵循此规则会导致极难发现非确定性错误，并且在仿真和合成硬件之间存在差异。

(1).非阻塞(Non_Blocking)赋值方式( 如 b <= a; )

块结束后才完成赋值操作。

b的值并不是立刻就改变的。

这是一种比较常用的赋值方法。（特别在编写可综合模块时）

(2).阻塞(Blocking)赋值方式( 如 b = a; )

赋值语句执行完后,块才结束。

b的值在赋值语句执行完后立刻就改变的。

可能会产生意想不到的结果。

一点练习

使用 assign 语句、组合always块和时钟always块以三种方式构建异或门。请注意，时钟always模块产生的电路与其他两个不同：有一个触发器，因此输出延迟。

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
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@(*) out_always_comb=a^b;
    always@(posedge clk) out_always_ff=a^b;
endmodule

If 语句

if 语句通常创建一个 2 选 1 多路复用器（ 2-to-1 multiplexer），如果条件为真，则选择一个输入，如果条件为假，则选择另一个输入。

always @(*) begin
if (condition) begin
out = x;
end
else begin
out = y;
end
end

这等效于使用带有条件运算符的连续赋值：

assign out = (condition) ? x : y;

但是，过程 if 语句提供了一种犯错误的新方法。仅当always为 out 分配值时，电路才是组合的。

一点练习

构建一个在 a 和 b 之间进行选择的 2 对 1 复用器。如果 sel_b1 和 sel_b2 都为真，则选择 b。否则，请选择 a。执行相同的操作两次，一次使用 assign 语句，一次使用过程 if 语句。

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
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@(*) begin
        if(sel_b1&sel_b2)
        out_always=b;
        else
        out_always=a;
    end
endmodule

If statement latches

常见的错误来源：如何避免创造latches(锁存器)

在设计电路时，您必须首先考虑电路：

• 我想要这个逻辑门

• 我想要一个具有这些输入并产生这些输出的组合逻辑 blob

• 我想要一个组合逻辑块，然后是一组触发器

你不能做的是先写代码，然后希望它产生一个正确的电路。

• 如果 （cpu_overheated） 则 shut_off_computer = 1;

• 如果 （~arrived） 则 keep_driving = ~gas_tank_empty;

语法正确的代码不一定会产生合理的电路（组合逻辑+触发器）。通常的原因是：“在您指定的情况之外，会发生什么？Verilog的答案是：保持输出不变。

这种“保持输出不变”的行为意味着需要记住当前状态，从而产生锁存器。组合逻辑（例如逻辑门）无法记住任何状态。注意警告 （10240）： ...推断闩锁“消息。除非闩锁是故意的，否则它几乎总是表示存在错误。组合电路必须在所有条件下为所有输出分配一个值。这通常意味着您始终需要 else 子句或分配给输出的默认值。

Latch 的含义

锁存器（Latch），是电平触发的存储单元，数据存储的动作取决于输入时钟（或者使能）信号的电平值。仅当锁存器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生变化。

当电平信号无效时，输出信号随输入信号变化，就像通过了缓冲器；当电平有效时，输出信号被锁存。激励信号的任何变化，都将直接引起锁存器输出状态的改变，很有可能会因为瞬态特性不稳定而产生振荡现象。

锁存器示意图如下：

触发器（flip-flop），是边沿敏感的存储单元，数据存储的动作（状态转换）由某一信号的上升沿或者下降沿进行同步的（限制存储单元状态转换在一个很短的时间内）。

触发器示意图如下：

寄存器（register），在 Verilog 中用来暂时存放参与运算的数据和运算结果的变量。一个变量声明为寄存器时，它既可以被综合成触发器，也可能被综合成 Latch，甚至是 wire 型变量。但是大多数情况下我们希望它被综合成触发器，但是有时候由于代码书写问题，它会被综合成不期望的 Latch 结构。

Latch 的主要危害有：

• 1）输入状态可能多次变化，容易产生毛刺，增加了下一级电路的不确定性；

• 2）在大部分 FPGA 的资源中，可能需要比触发器更多的资源去实现 Latch 结构；

• 3）锁存器的出现使得静态时序分析变得更加复杂。

Latch 多用于门控时钟（clock gating）的控制，一般设计时，我们应当避免 Latch 的产生。

if 结构不完整

组合逻辑中，不完整的 if - else 结构，会产生 latch。

例如下面的模型，if 语句中缺少 else 结构，系统默认 else 的分支下寄存器 q 的值保持不变，即具有存储数据的功能，所以寄存器 q 会被综合成 latch 结构。

示范

以下代码包含创建闩锁的错误行为。修复错误，以便仅在计算机确实过热时才关闭计算机，并在到达目的地或需要加油时停止驾驶。

这是代码描述的电路，而不是您要构建的电路。

always @(*) begin
if (cpu_overheated)
shut_off_computer = 1;
end

always @(*) begin
if (~arrived)
keep_driving = ~gas_tank_empty;
end

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (
    input      cpu_overheated,
    output reg shut_off_computer,
    input      arrived,
    input      gas_tank_empty,
    output reg keep_driving  ); //
    always @(*) begin
        if (cpu_overheated)
           shut_off_computer = 1;
        else
           shut_off_computer = 0;
    end
    always @(*) begin
        if (~arrived)
           keep_driving = ~gas_tank_empty;
        else
           keep_driving =0;
    end
endmodule

Case 语句

Verilog 中的case语句几乎等同于将一个表达式与其他表达式列表进行比较的 if-elseif-else 序列。它的语法和功能与 C 中的 switch 语句不同。

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

• case 语句以 case 开头，每个“case 项”以冒号结尾。没有“switch”。

• 每个事例项只能执行一个语句。这使得 C 中使用的“break”变得不必要。但这意味着如果您需要多个语句，则必须使用 begin ... end.。

• 允许重复（和部分重叠）case项。使用第一个匹配的。C 不允许重复case项。

一点练习

如果有大量案例，则case陈述比 if 语句更方便。因此，在本练习中，创建一个 6 对 1 多路复用器。当 sel 介于 0 和 5 之间时，选择相应的数据输入。否则，输出 0。数据输入和输出均为 4 位宽。

小心推断闩锁（请参阅。always_if2)

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
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 circuit
       case(sel)
            0:out = data0;
            1:out = data1;
            2:out = data2;
            3:out = data3;
            4:out = data4;
            5:out = data5;
       default:out = 4'b0000;
       endcase
    end
endmodule

Priority encoder优先级编码器

优先级编码器是一种组合电路，当给定输入位矢量时，输出矢量中第一个为1的比特的位置。例如，给定输入 8'b10010000 的 8 位优先级编码器将输出 3'd4，因为 bit[4] 是第一个高位。

构建 4 位优先级编码器。对于此问题，如果输入位都不高（即输入为零），则输出为零。请注意，一个 4 位数字有 16 种可能的组合。

case casez casex

在case语句中，敏感表达式中与各项值之间的比较是一种全等比较，每一位都相同才认为匹配。

在casez语句中，如果分支表达式某些位的值为高阻z，那么对这些位的比较就会忽略，不予考虑，而只关注其他位的比较结果。

在casex语句中，则把这种处理方式进一步扩展到对x的处理，即如果比较双方有一方的某些位的值是z或x，那么这些位的比较就不予考虑。

二、case/casez/casex 在simulation/synthesis的区别

网上说casex和casez属于不可综合语句，仅针对一般电路不会出现x状态来说的，但是综合工具并不会对x，z认识这个状态，所以综合出来的电路是一样的。

使用过程中许需要注意的问题：

1)一般经常使用到的是casez语句，最好少用casex

2)case/casez/casex其实都是可综合的

3)在电路中，可以用？来表示无关值的z

1. case的描述，匹配都是从上到下进行的

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (
    input [3:0] in,
    output reg [1:0] pos  );
    always@(*)
        casex(in)
            4'bxxx1:pos=0;
            4'bxx1x:pos=1;
            4'bx1xx:pos=2;
            4'b1xxx:pos=3;
            default:pos=0;
        endcase
endmodule

Priority encoder with casez

为 8 位输入构建优先级编码器。给定一个 8 位向量，输出应报告向量中第一个（最不重要）位 1。如果输入向量没有高位，则报告零。例如，输入 8'b10010000 应输出 3'd4，因为 bit[4] 是第一个高位。

从前面的练习（always_case2），案件陈述中有256个案例。如果支持的案例语句中的案例项不在乎位，我们可以将其减少到9个案例。这就是 z 的情况：它将值为 z 的位视为在比较中不关心。

例如，这将实现上一练习中的 4 输入优先级编码器：

always@(*)
begin
casez(in[3:0])
4'bzzz1:out=0; // in[3:1] can be anything
4'bzz1z:out=1;
4'bz1zz:out=2;
4'b1zzz:out=3;
default:out=0;
endcaseend

case 语句的行为就像按顺序检查每个项目一样（实际上，这是一个大的组合逻辑函数）。请注意，某些输入（例如，4'b1111）将匹配多个案例项。选择第一个匹配项（因此 4'b1111 匹配第一个项目，out = 0，但不匹配任何后面的项目）。

• 还有一个类似的casex，将x和z都视为不在乎。我认为在 casez 上使用它没有多大意义。

• 数字 ？ 是 z 的同义词。所以 2'bz0 与 2'b？0 相同

显式指定优先级行为而不是依赖于事例项的顺序可能不太容易出错。例如，如果对某些事例项重新排序，则以下项的行为方式仍相同，因为任何位模式最多只能匹配一个事例项：

casez(in[3:0])
4'bzzz1:...
4'bzz10:...
4'bz100:...
4'b1000:...
default:...
endcase

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (
    input [7:0] in,
    output reg [2:0] pos );
always @(*) begin
    casez (in)
        8'bzzzz_zzz1: pos = 0;   
        8'bzzzz_zz1z: pos = 1;
        8'bzzzz_z1zz: pos = 2;
        8'bzzzz_1zzz: pos = 3;
        8'bzzz1_zzzz: pos = 4;   
        8'bzz1z_zzzz: pos = 5;
        8'bz1zz_zzzz: pos = 6;
        8'b1zzz_zzzz: pos = 7;
        default: pos = 0;
    endcase
end
endmodule

Avoiding latches

假设您正在构建一个电路来处理来自游戏的 PS/2 键盘的扫描码。鉴于收到的扫描码的最后两个字节，您需要指示是否已按下键盘上的箭头键之一。这涉及一个相当简单的映射，它可以实现为具有四个案例的案例语句（或 if-elseif）。

电路有一个 16 位输入和四个输出。构建此电路，以识别这四个扫描码并断言正确的输出。

为避免产生锁存器，必须在所有可能的条件下为所有输出分配一个值（参见always_if2).仅仅有一个默认案例是不够的。您必须为所有四种情况和默认情况下的所有四个输出分配一个值。这可能涉及大量不必要的键入。解决此问题的一种简单方法是在 case 语句之前为输出分配一个“默认值”：

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

这种风格的代码可确保在所有可能的情况下为输出分配一个值（0），除非 case 语句覆盖赋值。这也意味着default：案例项变得不必要。

提醒：逻辑综合（The logic synthesizer）生成一个组合电路，其行为与代码描述的内容等效。硬件不会按顺序“执行”代码行。

// synthesis verilog_input_version verilog_2001
module top_module (
    input [15:0] scancode,
    output reg left,
    output reg down,
    output reg right,
    output reg up  ); 
always @(*) begin
        up = 1'b0; down = 1'b0; left = 1'b0; right = 1'b0;
        case (scancode)
            16'he06b: left = 1'b1;
            16'he072: down = 1'b1;
            16'he074:right = 1'b1;
            16'he075: up = 1'b1;
        endcase
    end
endmodule