[文档].艾米电子 逻辑门电路，Verilog

对读者的假设

已经掌握：

• 可编程逻辑基础
• Verilog HDL基础
• 使用Verilog设计的Quartus II入门指南
• 使用Verilog设计的ModelSIm入门指南

内容

1 基本门电路

1.1 采用结构化描述方式

1. 使用Quartus II新建工程logic_gates，顶层模块名为logic_gates，如图1.1所示。

图1.1 新建工程logic_gates

2. 录入下面的代码。

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates(
  input iA,
  input iB,
  output oAnd,
  output oOr,
  output oNot
);

and and_inst(oAnd, iA,iB);
or or_inst(oOr, iA,iB);
not not_inst(oNot, iA);

endmodule

第10~12行，采用了门级原语，分别例化了与门、或门和非门。

and and_inst(oAnd, iA,iB);
or or_inst(oOr, iA,iB);
not not_inst(oNot, iA);

3. 由于是基本的门电路，我们直接编译。编译成功后，选择Tools>Netlist Viewers>RTL Viewer，查看该工程综合后的RTL视图，如图1.2所示。

图1.2 RTL视图

4. 编写testbench。根据使用Verilog设计的Quartus II入门指南一文所述，在Quartus II软件中配置testbench，如图1.3所示。

`timescale 1ns/1ns

module logic_gates_tb;

reg i_a;
reg i_b;
wire o_and;
wire o_or;
wire o_not;

initial
begin
  i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
end

initial
begin
  i_b = 0;
  #40 i_b = 0;
  #40 i_b = 1;
  #40 i_b = 1;
  #40 i_b = 0;
end

logic_gates logic_gates_inst(
  .iA(i_a),
  .iB(i_b),
  .oAnd(o_and),
  .oOr(o_or),
  .oNot(o_not)
);

endmodule

第11~18行和第20~17行的initial块，分别用作激励i_a和i_b。注意，initial块内的左手边信号，都必须声明称reg类型。而且initial块内的语句都是顺序执行的，#40表示在40时间单位时，信号发生变化。而begin后的第一句，则表示0时间单位时的初始值。注意，initial块不适合用在可综合的HDL代码中，仅适合用作仿真。

initial
begin
  i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
end

initial
begin
  i_b = 0;
  #40 i_b = 0;
  #40 i_b = 1;
  #40 i_b = 1;
  #40 i_b = 0;
end

最后第29~35行，例化logic_gates模块。

logic_gates logic_gates_inst(
  .iA(i_a),
  .iB(i_b),
  .oAnd(o_and),
  .oOr(o_or),
  .oNot(o_not)
);

图1.3 配置testbench

5. 在Quartus II中，选择Tools>Run RDA Simulation Tools>EDA RTL Simulation，进行RTL仿真。在弹出的ModelSim_Altera窗口中，适当放大缩小波形，查看结果是否吻合，其波形如图1.4所示。

图1.4 功能仿真波形

6.  在Quartus II中，选择Tools>Run RDA Simulation Tools>Gate Level Simulation，进行门级仿真，如图1.5。

图1.5 门级仿真波形

仔细观察，将会发现，o_and、o_or和o_not，其初始值为未定态x，而期望的值则会延迟一段时间才会出现。具体的门级延迟视硬件不同而不同。而RTL仿真，则没有这个延迟；因此RTL仿真正确，不代表实际效果就正确，门级仿真的正确性也是一个重要的考察因素。

1.2 采用流描述方式

1. 替换先前的logic_gates.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates(
  input iA,
  input iB,
  output oAnd,
  output oOr,
  output oNot
);

assign oAnd = iA & iB;
assign oOr = iA | iB;
assign oNot = ~iA;

endmodule

第10~12行，使用了位运算符号，来处理与或非。 这是的描述组合逻辑电路的一种常用方式。

assign oAnd = iA & iB;
assign oOr = iA | iB;
assign oNot = ~iA;

2. 重复1.1的第3步查看该工程综合后的RTL视图，如图1.6所示。

图1.6 RTL视图

3. 使用1.1的testbench，重复1.1的第5步查看功能仿真波形，如图1.7所示。

图1.7 功能仿真波形

1.3 采用行为描述方式

1. 替换先前的logic_gates.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates(
  input iA,
  input iB,
  output reg oAnd,
  output reg oOr,
  output reg oNot
);

always @ (*)
begin
  oAnd = iA & iB;
  oOr = iA | iB;
  oNot = ~ iA;
end

endmodule

第10~15行，在always块内，使用行为描述方式，来实现与或非门。注意：凡是出现在always块内，且在左手边的信号，都必须声明为reg类型，无论其最终是映射成寄存器抑或结点与否。这是用作描述组合逻辑电路的另一方式。注意，在描述组合逻辑电路时，always块内使用阻塞赋值方式（=）。

always @ (*)
begin
  oAnd = iA & iB;
  oOr = iA | iB;
  oNot = ~ iA;
end

always @ (敏感信号)，Verilog HDL 2001提供了一种更简便的方式：always @ (*) ，综合器自动加入敏感信号。第10行，便是这样处理的。

always @ (*)

2. 重复1.1的第3步查看该工程综合后的RTL视图，如图1.8所示。

图1.8 RTL视图

3. 使用1.1的testbench，重复1.1的第5步查看功能仿真波形，如图1.9所示。

图1.9 功能仿真波形

1.4 小结

通过1.1~1.3的练习，我们发现3种描述方式所对应门电路其效果是一致的。

2 三态门电路

三态门，即其输出不仅与输入有关系，还受到使能信号控制；使能后，输出等于输入；未使能，则输出为高阻态。

1. 替换logic_gates.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates(
  input iA,
  input iEnable_n,
  output oTriState
);

assign oTriState = (~iEnable_n) ? iA : 1'bz;

endmodule

第4行，iEnable_n为使能信号，低电平有效，常用后缀_n来暗示。

  input iEnable_n,

第8行，(条件) ? (条件为真时取值) : (条件为假时取值) ；用在此处描述三态门，若使能信号拉低，则输出等于输入；若使能信号拉高，则输出高阻。

assign oTriState = (~iEnable_n) ? iA : 1'bz;

2. 重新编译工程，查看其综合后的RTL视图，如图2.1 所示。

图2.1 三态门的RTL视图

3. 替换logic_gates_tb.v为：

`timescale 1ns/1ns

module logic_gates_tb;

reg i_a;
reg i_enable_n;
wire o_tri_state;

initial
begin
  i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
end

initial
begin
  i_enable_n = 1;
  #20 i_enable_n = 0;
  #40 i_enable_n = 1;
  #20 i_enable_n = 0;
end

logic_gates logic_gates_inst(
  .iA(i_a),
  .iEnable_n(i_enable_n),
  .oTriState(o_tri_state)
);

endmodule

4. 查看其功能仿真与门级仿真是否正确，如图2.2和图2.3所示。

图2.2 功能仿真波形

图2.3 门级仿真波形

3 双向门电路

双向门电路，即可以输入又可以输出，常用于双向口。其实这个双向是时分复用，并不可以同时输入输出，因此它是单工的：也就是输入的时候，必须禁止输出使能；输出的时候，必须打开输出使能。注意：一般情况下，在子模块中，将双向口的拆分为输入和输出两个信号；最终只在顶层模块例化双向口。

1. 替换logic_gates.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates(
  input  iA,
  input  iW_R,
  output oB,
  inout  ioC
);

assign ioC = iW_R ? iA : 1'bz;
assign oB = (~iW_R) ? ioC : 1'bz;

endmodule

第9~10行，采用两个三态门，来实现双向门电路。

assign ioC = iW_R ? iA : 1'bz;
assign oB = (~iW_R) ? ioC : 1'bz;  

下面的描述方式也常见于各种存储器电路中的双向数据总线描述。

assign ioC = iW_R ? iA : 1'bz;
assign oB = ioC;

2. 重新编译工程，查看其综合后的RTL视图，如图3.1 所示。

图3.1 RTL视图

3. 这个testbench有点麻烦，此处用两个testbench先后测试双向口的读和写仿真。先做输出测试。替换logic_gates_tb.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates_tb;

reg i_a;
reg i_w_r;
wire io_c;

initial
begin
  i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
  #40 i_a = 0;
  #40 i_a = 1;
end

initial
begin
  i_w_r = 1;
  #20 i_w_r = 0;
  #40 i_w_r = 1;
  #20 i_w_r = 0;
end

logic_gates logic_gates_inst(
  .iA(i_a),
  .iW_R(i_w_r),
  .oB(),
  .ioC(io_c)
);

endmodule

4. 查看输出测试功能仿真与门级仿真是否正确，如图2.2和图2.3所示。

图2.2 输出测试功能仿真波形

图2.3 输出测试门级仿真波形

5. 再做输入测试，替换logic_gates_tb.v为：

`timescale 1ns/1ns
module logic_gates_tb;

reg i_w_r;
wire o_b;
wire io_c;

reg io_c_reg;

initial
begin
  i_w_r = 1;
  #20 i_w_r = 0;
  #40 i_w_r = 1;
  #20 i_w_r = 0;
end

initial
begin
  io_c_reg = 0;
  #40 io_c_reg = 1;
  #40 io_c_reg = 0;
  #40 io_c_reg = 1;
end

assign io_c = io_c_reg;

logic_gates logic_gates_inst(
  .iA(),
  .iW_R(i_w_r),
  .oB(o_b),
  .ioC(io_c)
);

endmodule

6.  适当增减信号，查看输出测试功能仿真与门级仿真是否正确，如图2.4和图2.5所示。

图2.4 输入测试的功能仿真波形

图2.5 输入测试的门级仿真波形

小结

这是我使用简单篇幅，描述了三类常见的门电路。希望初学者，能够学会和掌握，使用HDL描述电路，然后通过观察其综合的RTL视图来检测是否与所需电路一致，通过仿真来测试其输入波形。诚然，学习FPGA不是一件简单的事情，除了扎实的学习态度以外，我们还需要多练多想多总结。不着急，慢慢来，也许某一天，你就会发现，原来电路在我们心中。

辅助阅读

1. Wikipedia.Logic gate

2. Actel.Actel HDL Coding Style Guide - Actel HDL Coding

参考

1. 刘福奇, 刘波.Verilog HDL应用程序设计实例精讲.电子工业出版社

另见

[与艾米一起学FPGA/SOPC].[逻辑实验文档连载计划]