System Verilog实现流水灯

一 System Verilog

如果没有硬件描述语言（HDL hardware description language）？
kimi的回答 ：需要手动绘制电路原理图、手动布线、要打出电路板后测试验证设计的正确性…
没有HDL，数字硬件电路的设计和设置将更加依赖于手动操作和物理原型，这将大大增加设计周期、成本和出错的风险。此外，设计过程将更加繁琐，且难以实现现代电子系统中常见的复杂性和灵活性。
硬件描述语言可以做什么？
数字电路和系统的设计、建模、仿真、验证和综合。以文本形式描述数字电路的行为和结构，从而创建电路的模型。模拟电路功能，完成仿真。完成电路的优化（综合）。自动化布局和布线。与EDA集成。
硬件验证语言（Hardware Verification Language, HVL）：Open Vera ，e语言，PSL，SystemC，SystemVerilog等

1.1 Systemverilog简介

SystemVerilog既是硬件描述语言（rtl（Register Transfer Level）级），也是硬件验证语言（testbench）。用于为ASIC和FPGA/SoC算法和系统建模、设计、仿真、验证、测试和实现。SystemVerilog基于Verilog语言并进行了大量扩张，并在2009年与Verilog一样称为了同一IEEE标准的一部分。支持有约束随机验证、断言和功能覆盖率，并且支持面向对象的编程。

1.2 与verilog的区别

新增数据类型：

• 两态（I/O）数据类型
• 枚举类型和用户自定义类型
• 动态数组、关联数组和队列
• 联合体和结构体
• 字符串
• 类

1.2.1 两态数据类型（1,0）

verilog中有两种基本数据类型，reg和wire，都是四态数据类型（0，1，Z，X）。存储组合逻辑和时序逻辑的数据类型可以是标量，向量（reg[7:0]），integer，time，real，可以定义一个固定大小的数组。存储都是静态的。

systemverilog中引入两态数据类型 bit（无符号的），short int , int, longint, byte。

logic是system verilog引入的新的四态数据类型，system verilog对reg的数据类型做了改进，可以被连续赋值语句（assign）、门逻辑和模块直接驱动（可以同时用于时序和组合逻辑）。
kimi写的例子:

module top_module;// 定义一个reg类型的变量，它可以被连续赋值语句驱动reg my_signal;// 连续赋值语句，类似于Verilog-1995中的wireassign my_signal = some_condition ? 1'b1 : 1'b0; // some_condition是一个条件表达式// 时钟信号input clk;// 时序逻辑，my_signal也可以在这里被赋值always_ff @(posedge clk) beginmy_signal <= another_condition ? 1'b1 : 1'b0; // another_condition是另一个条件表达式end// 其他逻辑...
endmodule

1.2.2 枚举类型和用户自定义类型

枚举：

// enum [data_type] {name1 = value1, name2 = value2...} var_name;
enum {red, yellow, green} light1, light2;
//使用
light1 = red;
//错误使用
light1 = 0;

用户自定义类型：

parameter OPSIZE=8;
//将reg[7:0] 定义为opreg_t
typedef reg[OPSIZE-1:0] opreg_t;
//使用
opreg_t op_a, op_b;

module test_typedef();typedef enum {red, green, blue, yellow, white, blach} colors;colors my_colors;initialbegin$display("my_color's default value is %s", my_colors);my_colors = green;my_colors = colors'(2);$display("my_color's %s",my_colors.name);end
endmodule

1.2.3 数组与队列

• 静态数组

静态数组扩展了原始数组的概念，允许编程者定义每一位是如何存储的。

bit [7:0] c1; //压缩数组（维数定义在变量标识符之前），可以被指定为任何网线或者标量类型。
real u [7:0]; //非压缩数组（维数定义在变量标识符之后），任何数据类型//静态数组的通用定义方法
//element_data_type [PRange1]...[PRangeN] array_name [Urange1]...[UrangeM];
bit [3:0][7:0] reg_32;
bit [3:0][7:0] mix_array[3]

• 动态数组

//data_type array_name [];
bit [3:0] nibble[]; //4bit向量的动态数组；

动态数组实例：

module test_dy_array();int dyn1[],dyn2[];initial begindyn1 = new [100]; //分配100个foreach(dyn1[i])dyn2[i] = i;dyn2 = new [100](dyn1); //复制一个动态数组dyn2[0] = 5;end
endmodule

还有一些内置函数，size()、delete等。使用.语法调用。

• 队列
  队列是一个大小可变，具有相同数据类型成员的有序集合。0代表第一个成员，$代表最后一个成员。

byte q1[$]; //字节队列
string names[$] = {"Bob"};//字符串格队列

1.2.4 字符串

string myName = "John Smith";

操作符：
== 、!=、{str1,str2}、{n |str|} 复制n次str、str[index]、str.method()
内置方法：

1.2.5 结构体和联合体

实例：

module struct_example();struct {bit[7:0] my_byte;int my_data;real pi;}my_struct;initial beginmy_struct.my_byte = 8'hab;my_struct=`{0,99,3.14}`;end
endmodule

1.2.6 常量

parameter、localparam、specparam、const

1.2.7 过程语句

赋值包括了阻塞、非阻塞、自加/减、过程连续赋值语句。
控制结构包括了条件选择语句if…else，case；循环语句 for ,while, do…while,repeat,forever；跳转语句break,continue,return

等等

二 流水灯代码

led_flow.sv

module led_flow (input logic clk,       // 时钟信号input logic rst_n,     // 复位信号（低有效）output logic [7:0] led // 8位LED输出
);logic [23:0] counter;  // 24位计数器，用于产生慢时钟信号// 计数器逻辑always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)counter <= 24'd0;elsecounter <= counter + 1;end// LED流水灯逻辑always_ff @(posedge counter[23] or negedge rst_n) beginif (!rst_n)led <= 8'b0000_0001;elseled <= {led[6:0], led[7]};end
endmodule

testbench

module led_flow_tb;logic clk;logic rst_n;logic [7:0] led;// 实例化待测试的流水灯模块led_flow uut (.clk(clk),.rst_n(rst_n),.led(led));// 时钟信号生成initial beginclk = 0;forever #10 clk = ~clk; // 50MHz时钟周期为20nsend// 测试逻辑initial begin// 初始化信号rst_n = 0;#100;rst_n = 1;// 仿真运行一段时间后结束#1000000;$stop;end
endmodule

三 实验效果

testbench效果

总结

参考资料

system verilog绿皮书