簡單組合邏輯-仿真文件的編寫與鞏固

步驟與實(shí)現(xiàn)

• 簡單組合邏輯-仿真文件的編寫與鞏固
• • 一、二選一選擇器
  • 二、3-8譯碼器
  • 三、半加器
  • 四、層次化設(shè)計(jì)（全加器的實(shí)現(xiàn)）

一、二選一選擇器

1.verilog代碼寫完之后，進(jìn)行語法錯(cuò)誤檢查和全編譯，編譯成功之后，需要進(jìn)行仿真文件的編寫，在已有的模板上進(jìn)行修改。（接上一篇如何獲取仿真文件模板)
2.修改主要是進(jìn)行輸入信號(hào)的賦值，仿真文件內(nèi)容組成如下：
（以按鍵點(diǎn)亮自己的led燈仿真文件代碼編譯為例看內(nèi)容組成）

3.二選一選擇器就是，三個(gè)輸入，一個(gè)輸出，當(dāng)選通信號(hào)為低電平，選擇輸入2=輸出，當(dāng)選通信號(hào)為高電平，選擇輸入1=輸出。二選一選擇器verilog代碼如下：

module choose (input wire [0:0] in_1,input wire in_2,input wire sel,output reg out ); always@(*) //*=in_1,in_2,sel信號(hào)if (sel == 1'b1)out = in_1 ;//因?yàn)槭墙M合邏輯，所以使用阻塞賦值，順序進(jìn)行 elseout = in_2; endmodule

新手編輯，output reg 忘記加輸出信號(hào)out報(bào)錯(cuò)，該軟件里面的報(bào)錯(cuò)提醒沒有那么詳細(xì)，自己敲代碼的時(shí)候一定要注意仔細(xì)！
4.仿真文件代碼（含詳細(xì)注釋）

`timescale 1 ps/ 1 ps //關(guān)鍵詞時(shí)間尺度，時(shí)間單位 1ps module choose_vlg_tst(); //仿真文件名稱 仿真文件：對被仿真的模塊進(jìn)行一個(gè)輸入信號(hào)的模擬//reg eachvec; //類似于時(shí)鐘信號(hào)，有clk信號(hào)不用它each，沒有clk信號(hào)時(shí)用它reg [0:0] in_1; reg in_2; reg sel;wire out; //對輸入信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行定義//接下來是實(shí)例化，我們需要在仿真文件中調(diào)用被仿真的文件 //我們將仿真模塊中生成的in_1與我們被仿真模塊in_1相連接，實(shí)現(xiàn)了模塊的實(shí)例化 choose i1 (.in_1(in_1),.in_2(in_2),.out(out),.sel(sel) ); initial //上電只執(zhí)行一次，在仿真文件之中，begin end之間的語句順序執(zhí)行，在沒有延時(shí)的情況下，看起來就像是并列運(yùn)行，begin end就相當(dāng)于括號(hào)的作用，在多行賦值時(shí)必須用到 //initial語句主要是為了給輸入信號(hào)進(jìn)行一個(gè)初值的賦值，使用非阻塞賦值，并列運(yùn)行 //在模板中主要需要填寫initial語句，給輸入賦值begin in_1 <= 1'b0;in_2 <= 1'b0;sel <= 1'b0; //初始輸入信號(hào)均賦值為低電平0$display("Running testbench"); end always #10 in_1 <= {$random}%2; always #10 in_2 <= {$random}%2; always #10 sel <= {$random}%2;// 對這三個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)數(shù)賦值，用always語句 #+時(shí)間單位，#號(hào)表示時(shí)間延時(shí)，延時(shí)多少個(gè)時(shí)間單位,使用阻塞賦值 ,系統(tǒng)函數(shù)：隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生 $random, 求模運(yùn)算符% //將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)對2進(jìn)行求模， 產(chǎn)生的值只有0和1，即高電平和低電平的變化 //每隔10ps對in_1進(jìn)行一次賦值，賦值是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，有可能是0，有可能是1 initialbegin $timeformat(-12,0,"ps",6); //設(shè)置時(shí)間格式的系統(tǒng)函數(shù)//為了便于觀察，寫入監(jiān)測的系統(tǒng)函數(shù)$monitor("@time %t:in_1=%b in_2=%b sel=%b out=%b",$time,in_1,in_2,sel,out); //時(shí)間：各個(gè)信號(hào)的電平變化，即對各個(gè)信號(hào)的電平變化進(jìn)行實(shí)時(shí)打印，方便觀察end//@eachvec; endmodule

過程中有幾個(gè)問題：
①對于代碼中eachvec問題的解決，這里我是都屏蔽了，不屏蔽會(huì)報(bào)錯(cuò)，我也不知道怎么解決，屏蔽后能正確得到波形。
問題解釋參見
鏈接: 【原創(chuàng)】菜鳥學(xué)習(xí)Modelsim 之 遇到的問題及解決方法.

看5和6的解答
②系統(tǒng)函數(shù)$timeformat
③系統(tǒng)函數(shù)display 用于信息的顯示與輸出
④為什么報(bào)錯(cuò)？因?yàn)橛⑽淖址椭形淖址牟顒e，這種低級(jí)錯(cuò)誤！

5.RTLSimulation 仿真波形（看sel選通信號(hào)的跳變）

二、3-8譯碼器

1.在寫verilog代碼之前：
①先明確譯碼器含義
編碼的逆過程，把代碼狀態(tài)的特定含義翻譯出來的過程叫譯碼，譯碼器是可以將輸入二進(jìn)制代碼的狀態(tài)翻譯成輸出信號(hào)，以表示其原來含義的電路。
譯碼器是一種多輸入多輸出組合邏輯電路器件, 其可以分為變量譯碼和顯示譯碼兩類。這里演示3-8譯碼器。
②明確功能
3-8譯碼器，3個(gè)輸入，8位輸出，其輸入輸出真值表如下：

2.編寫verilog代碼，與選擇器類似
這里有兩種編寫方式，if-else分支語句和case分支語句
注意點(diǎn)：①8路輸出，位寬8比特

②編碼過程中避免產(chǎn)生latch，要完整描述編碼過程。
if-else多一條else語句，可以任意賦值；
case中default語句，同樣可以任意賦值。
參考鏈接: FPGA設(shè)計(jì)中l(wèi)atch的產(chǎn)生原因、危害與避免措施.

具體編碼實(shí)現(xiàn)如下：

//組合邏輯實(shí)現(xiàn)3-8譯碼器 module decoder (input wire [0:0] in_1,input wire in_2,input wire in_3,output reg [7:0] out ); /*always@(*) //*=in_1,in_2,in_3信號(hào)if ({in_1,in_2,in_3} == 3'b000)out = 8'b0000_0001 ;//因?yàn)槭墙M合邏輯，所以使用阻塞賦值，順序進(jìn)行else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b001) out = 8'b0000_0010 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b010) out = 8'b0000_0100 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b011) out = 8'b0000_1000 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b100) out = 8'b0001_0000 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b101) out = 8'b0010_0000 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b110) out = 8'b0100_0000 ;else if({in_1,in_2,in_3} == 3'b111) out = 8'b1000_0000 ; elseout = 8'b0000_0001 ; //當(dāng)上述調(diào)節(jié)都不滿足的時(shí)候，輸出這條語句，當(dāng)然也可以輸出別的，可以進(jìn)行任意賦值，這個(gè)else語句主要是避免產(chǎn)生latch//產(chǎn)生latch的解釋：https://blog.csdn.net/perfect_lun/article/details/51818886*///另一種分支語句的表示 always@(*)case({in_1,in_2,in_3})3'b000:out = 8'b0000_0001;3'b001:out = 8'b0000_0010;3'b010:out = 8'b0000_0100;3'b011:out = 8'b0000_1000;3'b100:out = 8'b0001_0000;3'b101:out = 8'b0010_0000; 3'b110:out = 8'b0100_0000;3'b111:out = 8'b1000_0000;default:out = 8'b0000_0001;endcase endmodule

編寫代碼編譯完成之后，查看并比較其RTL圖。


可以發(fā)現(xiàn)case語句是比if-else語句簡潔的多，這主要是因?yàn)樵趇f語句中的分支是有優(yōu)先順序的，在if-else語句中存在優(yōu)先級(jí)，先判斷第一個(gè)優(yōu)先條件，看條件是否滿足，逐步執(zhí)行；而case語句在任何時(shí)候都不存在優(yōu)先級(jí)的問題，只要這個(gè)條件與下列條件其中一個(gè)吻合，則執(zhí)行。

另外，注意編譯中可能會(huì)出現(xiàn)3個(gè)嚴(yán)重警告：

因?yàn)楫?dāng)前不做時(shí)序分析，故不需要進(jìn)行.sdc文件的編寫（目前我對這一文件的編寫還不清楚）

3.仿真文件的編寫（含詳細(xì)注釋）

`timescale 1 ps/ 1 ps //時(shí)間尺度 module decoder_vlg_tst(); //模塊名//reg eachvec;reg [0:0] in_1; reg in_2; reg in_3; //輸入信號(hào)定義wire [7:0] out; //輸出信號(hào)定義decoder i1 (.in_1(in_1),.in_2(in_2),.in_3(in_3),.out(out) ); //模塊實(shí)例化 initial //輸入信號(hào)的初始化，使用initial語句，全部初始化為低電平 begin in_1 <= 1'b0;in_2 <= 1'b0;in_3 <= 1'b0;$display("Running testbench"); end always #10 in_1 <= {$random}%2; always #10 in_2 <= {$random}%2; always #10 in_3 <= {$random}%2; //因?yàn)檩斎胄盘?hào)是模擬輸入，always語句進(jìn)行一個(gè)隨機(jī)數(shù)的賦值，不是0就是1 //@eachvec; //為了方便模塊仿真和便于觀察，添加幾個(gè)系統(tǒng)函數(shù) initialbegin $timeformat(-12,0,"ps",6); //設(shè)置時(shí)間格式//為了便于觀察，寫入監(jiān)測的系統(tǒng)函數(shù)$monitor("@time %t:in_1=%b in_2=%b in_3=%b out=%b",$time,in_1,in_2,in_3,out); //時(shí)間：各個(gè)信號(hào)的電平變化，即對各個(gè)信號(hào)的電平變化進(jìn)行實(shí)時(shí)打印，方便觀察end endmodule//時(shí)模輸入輸出實(shí)例化，initial初始always賦值加系統(tǒng)（時(shí)間格式和監(jiān)測）

同樣屏蔽了eachvec（對這個(gè)信號(hào)弄得還不是很清楚）

將仿真文件的內(nèi)容和編寫總結(jié)成：
時(shí)模輸入輸出實(shí)例化，initial初始always賦值加系統(tǒng)（時(shí)間格式和監(jiān)測）

4.RTL仿真
包含一些使用技巧：

各個(gè)輸入信號(hào)的初始賦值和隨機(jī)數(shù)賦值都是隨機(jī)的，可以看到輸出能夠很好的實(shí)現(xiàn)譯碼功能。

三、半加器

1.在寫verilog代碼之前：
①先明確半加器含義
半加器——全加器——層次化設(shè)計(jì)方法
加法器主要用于兩個(gè)數(shù)或者多個(gè)數(shù)相加，加法器分為半加器和全加器。
半加器是指對兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)位相加，輸出一個(gè)結(jié)果位和進(jìn)位，沒有進(jìn)位輸入的加法器電路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算電路。
全加器除了加數(shù)和被加數(shù)加和外，還要加上上一級(jí)傳進(jìn)來的進(jìn)位信號(hào)。

②明確功能
半加器，2個(gè)輸入，2個(gè)輸出（一個(gè)結(jié)果，一個(gè)進(jìn)位），其輸入輸出真值表如下：

2.編寫verilog代碼
這里有兩種編寫方式，分別用always@（*）和assign函數(shù)寫。

module half_adder ( input wire [0:0] in_1,input wire in_2,output wire sum,output wire count );assign {count,sum} = in_1 + in_2;/*always@(*)begin{count,sum} <= in_1 + in_2;end //用assign 輸入信號(hào)類型就是wire，用always 輸入信號(hào)類型就是reg！！易錯(cuò) */ endmodule

always@（*）和assign函數(shù)的區(qū)別：
參考1: verilog基本語法之a(chǎn)lways和assign.
參考2: Verilog中 reg和wire 用法和區(qū)別以及always和assign的區(qū)別.

編譯后RTL圖可以看到已經(jīng)被綜合成了一個(gè)加法器。

3.仿真文件編寫（與前兩個(gè)類似）

時(shí)模輸入輸出實(shí)例化，initial初始always賦值加系統(tǒng)（時(shí)間格式和監(jiān)測）

代碼如下：

`timescale 1 ps/ 1 ps //時(shí)間 module half_adder_vlg_tst(); //模塊名//reg eachvec;reg [0:0] in_1; reg in_2;wire count; wire sum; //輸入輸出定義half_adder i1 (.count(count),.in_1(in_1),.in_2(in_2),.sum(sum) ); //實(shí)例化initial begin in_1 <= 1'b0;in_2 <= 1'b0;$display("Running testbench"); end //initial初始 always #10 in_1 <= {$random}%2; always #10 in_2 <= {$random}%2; //always賦值initial //initial系統(tǒng)函數(shù)格式+監(jiān)測begin $timeformat(-12,0,"ps",6); $monitor("@time %t:in_1=%b in_2=%b sum=%b count=%b",$time,in_1,in_2,sum,count); end //@eachvec; endmodule

4.RTLsimulation結(jié)果

四、層次化設(shè)計(jì)（全加器的實(shí)現(xiàn)）

1.在寫verilog代碼之前：
①先明確層次化設(shè)計(jì)含義
數(shù)字電路中根據(jù)模塊層次不同有兩種基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法：自底向上和自頂向下的設(shè)計(jì)方法。

自底向上：基本單元——高級(jí)單元——系統(tǒng)
自頂向下：系統(tǒng)——高級(jí)單元——基本單元——子模塊——EDA元件庫中的元件

層次化設(shè)計(jì)思想對這兩種設(shè)計(jì)方法是混合使用的，這里主要是利用層次化設(shè)計(jì)思想基于第三部分的半加器去實(shí)現(xiàn)全加器。
②明確功能，全加器
3路輸入，2路輸出，輸入為：兩個(gè)數(shù)+上一級(jí)的進(jìn)位信號(hào)
這里采用層次化設(shè)計(jì)思想去設(shè)計(jì)。（將一個(gè)全加器分成兩個(gè)半加器）
明確：一個(gè)全加器并不是最基本的結(jié)構(gòu)，可以由兩個(gè)半加器構(gòu)成。
結(jié)構(gòu)框圖如圖：

2.verilog代碼編寫
注意點(diǎn)：
①需要對兩個(gè)半加器進(jìn)行實(shí)例化；因?yàn)閮蓚€(gè)半加器就是本身的子模塊，類似于兩個(gè)半加器芯片構(gòu)成一個(gè)全加器功能；
②實(shí)例化后的half_adder.v文件還要加載到files中，在創(chuàng)建工程project的時(shí)候就添加進(jìn)去，否則會(huì)報(bào)錯(cuò)！

具體代碼實(shí)現(xiàn)如下：

module full_adder ( input wire [0:0] in_1,input wire in_2,input wire cin,output wire sum, //求和信號(hào)是由第二個(gè)半加器直接輸出，故用wire型output wire count );//端口列表編寫完成wire h0_sum ; wire h0_count ; wire h1_count ;//既然是用半加器實(shí)現(xiàn)全加器，就一定要對半加器實(shí)例化，就是接口對接口要有個(gè)協(xié)議對準(zhǔn)half_adder i1 (.count(h0_count),.in_1(in_1),.in_2(in_2),.sum(h0_sum) ); half_adder i2 (.count(h1_count),.in_1(h0_sum),.in_2(cin),.sum(sum) ); //兩次實(shí)例化，實(shí)例化名稱不能相同//類似于使用兩個(gè)半加器芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)全加器//用assign語句對兩個(gè)進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算，把最終的結(jié)構(gòu)作為進(jìn)位信號(hào)輸出 assign count = (h0_count | h1_count);endmodule

編譯之后，其RTL視圖如下：

3.仿真文件的編寫

時(shí)模輸入輸出實(shí)例化，initial初始always賦值加系統(tǒng)（時(shí)間格式和監(jiān)測）

`timescale 1 ps/ 1 ps //時(shí)間 module full_adder_vlg_tst(); //模塊名reg eachvec;reg cin; reg [0:0] in_1; reg in_2;wire count; wire sum; //輸入輸出定義full_adder i1 (.cin(cin),.count(count),.in_1(in_1),.in_2(in_2),.sum(sum) ); //實(shí)例化initial begin in_1 <= 1'b0;in_2 <= 1'b0;cin <= 1'b0;$display("Running testbench"); end //initial初始 always #10 cin <= {$random}%2; always #10 in_1 <= {$random}%2; always #10 in_2 <= {$random}%2; //always賦值 initial //initial系統(tǒng)函數(shù)格式+監(jiān)測begin $timeformat(-12,0,"ps",6); $monitor("@time %t:in_1=%b in_2=%b cin=%b sum=%b count=%b",$time,in_1,in_2,cin,sum,count); end endmodule

需要注意，這里要進(jìn)行仿真時(shí)間的限制，否則在生成波形界面全加器會(huì)一直仿真下去，直到按stop停止，設(shè)置仿真時(shí)間為1us。

4.RTL Simulation仿真結(jié)果
①在sim中查看，最上層為頂層仿真模塊，打開為內(nèi)部兩個(gè)實(shí)例化的半加器模塊；

②默認(rèn)只添加仿真模塊的波形，回到sim界面，添加頂層模塊的波形和實(shí)例化半加器的波形；

③在wave界面使用快捷鍵CTRL+A 全選，CTRL+G對波形進(jìn)行分組，用restart對波形進(jìn)行重新生成（該圖還未重新生成，未設(shè)置仿真時(shí)間為1us，仿真一直在進(jìn)行，數(shù)據(jù)有缺失）；

④點(diǎn)擊全局視圖，添加參考線對波形進(jìn)行放大，驗(yàn)證波形。（設(shè)置end simulation at 1us 之后）

管腳綁定——程序固化——上板驗(yàn)證

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的quartus仿真文件的编写的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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