时序逻辑中的Verilog程序解读

本文介绍在Verilog中实现同步时序逻辑电路的方法,强调抛弃传统编程思维,从电路构造角度理解程序。通过具体例子说明时钟脉冲如何控制电路状态的变化。

同步时序逻辑电路中由于引入了时钟脉冲,在写verilog程序时,习惯面向过程或面向对象编程思维的童鞋带来理解上的困难。

在理解verilog程序时,基本要点是从电路出发,抛弃传统的面向过程或面向对象思维,而从电路构造和电流变化的角度理解。如下面的时序逻辑电路:

图1:时序电路例子

当时序电路处于稳态,时钟脉冲没有到来时,并且!Q0的值为1时,X的变化只会影响到Z的输出,而两个J-K触发器状态不会有任何改变

其对应的verilog程序为:

图2:verilog程序

程序中的now_state表示电路的现态,next_state表示电路的次态。

图1中只有一个CP,电路受控于一个时钟脉冲,是一个同步时序电路,因此在verilog程序中有一个always监控clk(始终脉冲),现在理解的关键是下面这个always的语义。理解这一块需要大家回头复习下降沿J-K触发器的工作原理,其功能请详见下降沿触发器的分析。在下降沿触发器中,当下降沿来临时,下降沿来临的前一刹那的输入会引起当前电路的状态改变,后面这个always做的事情就是控制这个变化。

另外,反过来理解,只要时钟脉冲不来,无论组合电路中的输入如何变化,电路状态都不会改变,只有时钟脉冲来了,电路状态才会改变。

时序电路的verilog程序一般有两个always,一个用于控制时序中的触发器,一个用于控制组合电路。

时序”最容易联想到就是“时序图”,亦即模块的输出。换句话说“时序”是模块执 行过程的显性记录。一般在仿真上,模块的时序图都是在理想状态下(没有任何物理上 的问题)产生的。时序图里边包含了模块最清洁的执行记录。这些信息对于“细化”模 块来说有很大的帮助。然而影响着这些时序就是Verilog HDL 语言本身。 很多时候,虽然低级建模(建模技巧)已经可以帮助我们完成许多模块设计上的要求, 但是低级建模始终是属于“建模”的层次,亦即“塑造”模块一个大概的形状,而且是 粗糙的东西而已。这粗糙的东西,效果能不能发完全发挥? 我们需要经过“细化”它才 知道结果。 要完成“细化”的过程一点也不可以马虎。早期的建模必须留下可以“细化”的种子。 此外我们还要往模块更深入去了解它,去分析它,如果有模块有问题就调试它。这全部 的工作要求,更进一步挑战我们对Verilog HDL 语言的认识和掌握的程度。有关这一点, 再也不是:了解Verilog HDL 语言相关的语法如何使用?如何使用Verilog HDL 语言建 立一个模块?等这些Verilog HDL 语言“外观的单纯工作”,而是“深入分析”模块执 行时的“内部细节”。关于模块一切的一切过程,我们只能在“时序图”上了解而已。 这就是这本笔记命名的初衷。
### 如何进行时序逻辑 Verilog 代码仿真 #### 使用工具 在进行时序逻辑Verilog 代码仿真时,通常会使用专业的 EDA 工具,例如 ModelSim、Vivado 或 Icarus Verilog。这些工具有助于验证设计的功能性和时序特性。 #### 设计流程概述 为了完成时序逻辑的设计和仿真,可以遵循以下工作流: 1. **编写模块代码** 需要先定义好 RAM 和 ROM 的功能模块。对于 RAM,其核心在于写操作;而对于 ROM,则主要关注初始化数据表并提供地址映射输出[^1]。 2. **创建测试平台 (Testbench)** 测试平台用于驱动待测模块,并捕获响应以供观察。它不参与实际硬件合成,仅作为调试手段存在。以下是构建基本 Testbench 所需的关键要素: - 定义输入激励信号; - 实例化被测单元(DUT, Device Under Test); - 添加波形监控语句以便查看内部节点变化情况。 3. **运行仿真器** 启动所选软件环境加载项目文件夹内的源码与对应的 testbench 文件之后即可执行模拟过程。期间可以通过调整参数来改变场景设置进而全面评估目标电路性能表现。 #### 示例代码展示 ##### RAM 实现代码片段 下面给出一段简单的同步 SRAM 模型实现例子: ```verilog module sram #(parameter WIDTH=8, DEPTH=256)( input wire clk, input wire we,//write enable input wire [WIDTH-1:0] din, output reg [WIDTH-1:0] dout, input wire [$clog2(DEPTH)-1 :0 ] addr); always @(posedge clk) begin if(we) ram[addr]<=din; dout<=ram[addr]; end reg [WIDTH-1:0] ram[0:DEPTH-1]; initial $readmemh("init_file.txt", ram); endmodule ``` 此部分展示了如何利用 always 块配合 posedge 条件触发更新存储数组内容以及相应端口赋值动作. ##### 对应的简单测试脚本(Test Bench) ```verilog `timescale 1ns / 1ps module tb_sram(); // Parameters and signals declaration here... sram #(.WIDTH(WIDTH), .DEPTH(DEPT)) uut ( .clk(clk), .we(we), .din(din), .dout(dout), .addr(addr)); initial begin // Initialize Inputs clk = 0; we = 0; forever #5 clk=~clk;//Generate clock signal with period of 10 time units. end initial begin @(negedge clk); addr='b0; we=1'b1; din='bAA;@(posedge clk);//Write operation at address 'b0' @(negedge clk); addr='b1; we=1'b1; din='bBB;@(posedge clk);//Another write... repeat(2) @(posedge clk); //Wait two cycles before reading back data addr='b0; we=1'b0; //Read from location zero after writes completed above.. @(posedge clk); $display("Data read from Address %b is %h ",addr,dout); $finish(); end endmodule ``` 上述代码设置了周期性的时钟脉冲序列并通过修改 `addr`, `we`, 及 `din` 等变量来进行一系列存取尝试最后打印结果确认预期行为是否达成. #### 关键概念解析 - 组合 vs 时序逻辑差异:组合逻辑即时生效无需等待任何事件发生即刻计算得出新输出值;相对之下,时序逻辑依赖特定条件比如上升沿或者下降沿才允许状态转移因此具备记忆能力支持多阶段运算链条形成复杂算法结构[^2]. - 波形图解读技巧:学会识别关键时间戳位置及其关联的动作序列有助于快速定位潜在错误根源所在区域进一步优化设计方案质量.
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