[文档].艾米电子 - 逻辑门电路，Verilog
本文主要讲述如何使用Verilog来描述基本门电路、三态门电路和双向门电路，及如何获得其综合和仿真的结果。
对读者的假设
已经掌握：
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
