Verilog

Verilog
Парадигма	структурний
Дата появи	1984
Останній реліз	IEEE1364-2005 (9 листопада, 2005 (2005-11-09))
Система типізації	статичний, слабкий тип
Під впливом від	C, Pascal і Ада
Вплинула на	SystemVerilog
Звичайні розширення файлів	..v

Verilog HDL (англ. Verilog Hardware Description Language) — мова опису апаратури (HDL), що використовується для опису та моделювання електронних систем. Verilog HDL не слід плутати з VHDL (конкуруюча мова), найбільш часто використовується у проектуванні, верифікації і реалізації (наприклад, у вигляді НВІС) аналогових, цифрових та змішаних електронних систем на різних рівнях абстракції.

Розробники Verilog зробили його синтаксис дуже схожим на синтаксис мови C, що спрощує його освоєння. Verilog має препроцесор, дуже схожий на препроцесор мови C, і основні керуючі конструкції if, while також подібні однойменним конструкціям мови C. Угоди по форматуванню виведення також дуже схожі (див. printf).

Слід зазначити, що опис апаратури, написаний мовою Verilog (як і іншими HDL-мовами) прийнято називати програмами, але, на відміну від загальноприйнятого поняття програми, як послідовності інструкцій, тут програма представляє множину операторів, які виконуються паралельно і циклічно під керуванням об'єктів, названих сигналами. Кожен такий оператор є моделлю певного елемента реальної функціональної схеми апаратури, а сигнал — аналогом реального логічного сигналу. Так само для мови Verilog не застосовується термін «виконання програми». Фактично, виконання Verilog-програми є моделюванням функціональної схеми, яку вона описує, що виконується спеціальною програмою — Verilog-симулятором.

Огляд

Розробники мови Verilog хотіли створити її за синтаксисом подібною до мови програмування C, яка уже широко використовувалася при розробці програмного забезпеченні. Як і C, Verilog чутливий до регістру і має базовий препроцесор (хоча не такий складний як у ANSI C/C++). Його ключові слова для керування потоком (такі як if/else, for, while, case, та інші) є еквівалентними, а Черговість операцій сумісна із C. До синтаксичних відмінностей відносяться: необхідність вказувати ширину в бітах при декларації змінних, демаркація процедурних блоків (Verilog використовує ключові слова begin/end замість фігурних дужок {}), і багато інших не значних відмінностей. Verilog вимагає, щоб усім змінним визначався розмір. В C ці розміри визначаються 'типом' змінної (наприклад, цілий тип може мати розмір в 8 біт).

Структура програми на Verilog складається із ієрархії модулів. Модулі інкапсулюють ієрархію дизайну, і комунікують з іншими модулями через множину оголошених входів, виходів і двонаправлених портів.

Існує підмножина інструкцій мови Verilog, придатна для синтезу. Модулі, які написані в межах цієї підмножини, називають RTL (англ. register transfer level — рівень регістрових передач). Вони можуть бути фізично реалізовані з використанням САПР синтезу. САПР за певними алгоритмами перетворить абстрактний вихідний Verilog-код на перелік зв'язків (англ. netlist) — логічно еквівалентний опис, що складається з елементарних логічних примітивів (наприклад, елементи AND, OR, NOT та тригери), які доступні у вибраній технології виробництва НВІС або програмування БМК чи ПЛІС. Подальша обробка переліку зв'язків в кінцевому підсумку породжує фотошаблони для літографії або прошивку для FPGA.

Створення

Verilog створили Phil Moorby і Prabhu Goel взимку 1983–1984 років у фірмі Automated Integrated Design Systems (з 1985 року Gateway Design Automation) як мову моделювання апаратури. У 1990 році Gateway Design Automation була куплена Cadence Design Systems. Компанія Cadence має права на логічні симулятори Gateway's Verilog і Verilog-XL simulator.

Типи даних

У Verilog існує дві основних групи типів даних: net та variable. Обидві групи відрізняються способами призначення та зберігнная значення. Також ці групи представляють різні структури під час синтезу. Екземпляри об'єктів обох груп під час моделювання Verilog опису можуть приймати 4 значення:

• 0.
• 1.
• x - невідоме значення. Дане значення використовується лише під час моделювання. Під час роботи реальної апаратури завжди буде "0" або "1".
• z - стан високого імпендансу, тобто відсутність сигналу. Прикладом використання даного значення є опис тристабільних буферів.

Декларація net об'єктів

Тип даних net буду представляти фізичні з'єднання між блоками дизайну, наприклад, логічними вентилями. Об'єкти даного типу не будуть зберігати значення (окрім тристабільних буферів). Значення такого об'єкту буде визначатися значеннями його драйверів. Якщо до net об'єкту не приєднано драйверів, то він матиме значення високого імпендансу (z).

wire w1; // 1-бітовий сигнал
wire[31:0] bus; // 32-бітова шина

Декларація змінних

Змінні являються абстракцією елемегту для зберігання даних. Змінна має зберігати значення від одного присвоєння до іншого. Конструкція просвоєння діє як тригер, який збуджує зміну значення в елементі збереженння даних. Початковим значення для типів reg, time та integer є невідоме значення - x. Початковим значення для типів real та realtime є значення - 0.0

reg [7:0] bus; // декларація 8-бітної шини
reg [31:0] memory[0:1023]; // 1024 словa пам`яті, кожне слово складається з 32 бітів.

Поведінкова модель

Існує декілька способів задання Verilog процесів.

initial

Конструкція initial використовується для задання певного блоку коду, що буде виконано рівно один раз. Варто зазначити, що дана конструкція не належить до синтезованої підмножини мови. Типовим використанням initial конструкції є ініціалізація певних змінних під час початку моделювання. Нижче наведено приклад генерації синхросигналу c періодом period у тестовому модулі.

module testbench();
    initial
    	begin	
    		clk = 1'b0;  
    		forever #(period/2) clk = ~clk;
    	end
endmodule

always

Конструкція always представляє собою блок коду, який повторно виконується під час моделювання. always складається з двох частин - списку чутливості та блоку операторів. Список чутливості представляє собою набір певних сигналів або виразів. Зміна значення будь-якого елементу зі списку чутливості ініцією виконання блоку операторів конструкції. Декілька always-блоків виконуються паралельно. У наступному прикладі наведено спосіб використання даної конструкції для реалізацї функції бітове АБО. Кожен раз, коли сигнал A чи B отримують нове значення вираховується значення сигналу C.

always @ ( A or B ) begin
    C = A & B ;
end

Приклад

Програма Hello world! на мові Verilog (не синтезується):

module main;
  initial
    begin
      $display("Hello world!");
      $finish;
    end
endmodule

Два простих послідовно з'єднаних тригери:

module toplevel(clock,reset);
  input clock;
  input reset;

  reg flop1;
  reg flop2;

  always @ (posedge reset or posedge clock)
    if (reset)
      begin
        flop1 <= 0;
        flop2 <= 1;
      end
    else
      begin
        flop1 <= flop2;
        flop2 <= flop1;
      end
endmodule

Нижче наведено опис дискретного автомату для керування світлофором. Для реалізації затримок під час роботи світлофору використовується модель затримок. Затримка в кожній вершині темпороального графу реалізується за допомогою петель, умовою для яких є підрахунок числа тактів. Затримка реалізується за допомогою зациклювання у стані. Зациклювання відбувається доки лічильник тактів не досягне значення затримки.

module fsm(input clk, reset, st, onn, output R, Y, G);
	
  	localparam [2:0]
      a1 = 3'b000,
      a2 = 3'b001,
      a3 = 3'b010,
      a4 = 3'b011, 
      a5 = 3'b100;
  
  	reg [2:0] state, nextState;
	reg [2:0] count, count1;
	
	localparam T1 = 3'b010;
	localparam T2 = 3'b101;
	
	
	always@(posedge(clk))
		begin
			
			if(reset) begin
					state = a1;
					count = 3'b000;
				end
			else 
				begin
					state = nextState;
					count = count1;
					
				end
			
		end	
	
	always_comb 
	begin
		case(state)
			
			a1: begin
					if(count < T1 - 1) begin
							nextState = a1;
							count1 = count1 + 1'b1;
						end						
					else if(onn) begin
							nextState = a2;
							count1 = 3'b000;			
						end	
					else 
						begin				
							nextState = a1;
							count1 = 3'b000;		
						end	
				end
			
			a2: begin
					if(count < T1 - 1) begin
							nextState = a2;
							count1 = count1 + 1'b1;
						end						
					else if(!onn || !st) begin
							nextState = a1;
							count1 = 3'b000;			
						end	
					else 
						begin				
							nextState = a3;
							count1 = 3'b000;		
						end	
				end	
			   
			a3: begin
					if(count < T2	 - 1) begin
							nextState = a3;
							count1 = count1 + 1'b1;
						end						
					else if(!onn || !st) begin
							nextState = a1;
							count1 = 3'b000;			
						end	
					else 
						begin				
							nextState = a4;
							count1 = 3'b000;		
						end	
				end		
			
			a4: begin
					if(count < T1 - 1) begin
							nextState = a4;
							count1 = count1 + 1'b1;
						end						
					else if(!onn || !st) begin
							nextState = a1;
							count1 = 3'b000;			
						end	
					else 
						begin				
							nextState = a5;
							count1 = 3'b000;		
						end	
				end		
			
			a5: begin
					if(count < T2 - 1) begin
							nextState = a5;
							count1 = count1 + 1'b1;
						end						
					else if(!onn || !st) begin
							nextState = a1;
							count1 = 3'b000;			
						end	
					else 
						begin				
							nextState = a2;
							count1 = 3'b000;		
						end	
				end		
				
			default:
				nextState = a1;
			
		endcase	
		
	end

Оператори

Мова програмування Verilog підтримує наступні оператори:

Тип операторів	Символ	Операція
Побітові	~	Побітова інверсія
	&	Побітова AND
	|	Побітова OR
	^	Побітова XOR
	~^ or ^~	Побітова XNOR
Логічні	!	NOT
	&&	AND
	||	OR
Редукція (Reduction)	&	Reduction AND
	~&	Reduction NAND
	|	Reduction OR
	~|	Reduction NOR
	^	Reduction XOR
	~^ or ^~	Reduction XNOR
Арифметичні	+	Додавання
	-	Віднімання
	-	доповнення до 2
	*	Множення
	/	Ділення
	**	Піднесення до степеня (*Verilog-2001)
Відносні	>	Більше
	<	Менше
	>=	Більше або дорівнює
	<=	Менше або дорівнює
	==	Логічна рівність
	!=	Логічна нерівність
	===	4-state логічна рівність
	!==	4-state логічна нерівність
Зсув	>>	Логічний зсув вправо]]
	<<	Логічний зсув вліво
	>>>	Арифметичний зсув вправо (*Verilog-2001)
	<<<	Арифметичний зсув вліво (*Verilog-2001)
Конкатенація	{, }	Конкатенація
Реплікація	{n{m}}	Реплікація значення m n разів
Умовні	? :	Умова

Див. також

• VHDL
• AHDL
• Icarus Verilog

Посилання

• 1364-2005 — IEEE Standard for Verilog Hardware Description Language
• Verilog Tutorial (англ.)
• Asic-World (англ.)
• Verilog Tutorial^{[недоступне посилання з червня 2019]} (англ.)
• Verilog Tutorial^{[недоступне посилання з червня 2019]} (англ.)
• Verilog Tutorial (англ.)
• Online Verilog-1995 Quick Reference Guide (англ.)
• Online Verilog-2001 Quick Reference Guide (англ.)
• Поляков А. К. Языки VHDL и Verilog в проектировании цифровой аппаратуры. — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. — 320 с.: ил. — (Серия «Системы проектирования»). — ISBN 5-98003-016-6 (рос.)
• VerilogHDL — язык проектирования аппаратуры (рос.)