FPGA第 11 篇，Verilog 系统函数（ Verilog 中的系统函数）

前言

Verilog 作为一种强大的硬件描述语言，不仅提供了用于设计和仿真数字电路的基础语法，还包含了丰富的系统函数，帮助我们高效地完成复杂的硬件操作。系统函数是 Verilog 语言中预定义的特殊函数，通常以 $ 开头，它们涵盖了多种用途，如仿真控制、数据转换、数学运算、时间获取和显示信息等。

系统函数在硬件设计和验证过程中发挥了不可或缺的作用。例如，我们可以通过系统函数方便地输出仿真信息、执行复杂的数学运算或获取仿真时间。常见的 Verilog 系统函数包括 $display 用于信息输出，$monitor 用于实时监控信号变化，$time 获取仿真时间，以及 $random 生成随机数。

通过灵活应用这些系统函数，我们能够简化代码，增强可读性，并提高调试效率。在硬件开发和验证过程中，充分利用 Verilog 提供的系统函数将大大提升设计的效率和可靠性。掌握这些开发技巧，我们可以高效地设计和验证 FPGA 电路，从而实现所需的数字系统功能。之前介绍了 Verilog 中的运算符和分支语句，请看，

Verilog 中的运算符和分支语句https://blog.csdn.net/weixin_65793170/article/details/141829820?spm=1001.2014.3001.5502

这里我们来分享一下 Verilog 中的系统函数，记录一下

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一. 分类介绍

1. Verilog 系统函数分类

        Verilog 系统函数（System Functions）通常以 $ 开头，并用于执行各种标准操作，例如格式化输出、仿真控制、时间管理等。Verilog-2001 标准定义了几十个系统函数，这些函数大致可分为以下几类：

1. 显示相关函数
2. 仿真时间相关函数
3. 文件输入输出相关函数
4. 数学函数
5. 随机函数
6. 仿真控制函数

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二. 分类详细

1. 显示（Display）相关函数

（1）函数介绍

这些函数用于在仿真过程中输出信息，类似于 C 语言中的 printf。

函数名	功能	用法
$display	输出一行文字并自动换行	$display(格式字符串, 参数1, 参数2, ...)
$write	输出一行文字但不换行	$write(格式字符串, 参数1, 参数2, ...)
$strobe	输出信号值，在当前时间步之后再显示	$strobe(格式字符串, 参数1, 参数2, ...)
$monitor	监控变量值的变化并输出	$monitor(格式字符串, 参数1, 参数2, ...)
$stop	停止仿真	$stop
$finish	结束仿真	$finish

（2）代码示例

module display_example;reg [7:0] a = 8'd15;reg [7:0] b = 8'd25;initial begin// 输出一行文字并自动换行$display("a=%0d, b=%0d", a, b);  // 输出: a=15, b=25// 输出一行文字但不换行$write("a=%0d", a);  // 输出: a=15$write(", b=%0d", b);  // 输出: , b=25// 输出信号值，在当前时间步之后再显示$strobe("a=%0d, b=%0d", a, b);  // 输出: a=15, b=25 (在当前时间步之后)// 监控变量值的变化并输出$monitor("a=%0d, b=%0d", a, b);  // 每次 a 或 b 变化时都会输出end
endmodule

2. 仿真时间相关函数

（1）函数介绍

这些函数用于获取仿真时间和延迟操作。

函数名	功能	用法
$time	返回当前仿真时间，单位为 timescale 设定	$time
$stime	返回当前仿真时间（32位整型）	$stime
$realtime	返回当前仿真时间，精度为实数	$realtime
$realtobits	实数转换为位模式	$realtobits(实数)
$bitstoreal	位模式转换为实数	$bitstoreal(位模式)

（2）代码示例

module time_example;reg [7:0] a = 8'd15;initial begin#10;  // 延迟 10 时间单位// 输出当前仿真时间$display("Current simulation time: %0t", $time);  
// 输出: Current simulation time: 10// 输出当前仿真时间（32位整型）$display("Current simulation time (32-bit): %0d", $stime);  
// 输出: Current simulation time (32-bit): 10// 输出当前仿真时间，精度为实数$display("Current simulation time (real): %0f", $realtime);  
// 输出: Current simulation time (real): 10.000000// 实数转换为位模式real real_val = 3.14;reg [31:0] bits;bits = $realtobits(real_val);$display("Bits representation of real value: %h", bits);  
// 输出: Bits representation of real value: 4048f5c3// 位模式转换为实数real new_val;new_val = $bitstoreal(bits);$display("Real value from bits: %0f", new_val);  
// 输出: Real value from bits: 3.140000end
endmodule

3. 文件输入输出相关函数

（1）函数介绍

用于从文件中读取或向文件中写入数据。

函数名	功能	用法
$fopen	打开文件，返回文件句柄	integer file = $fopen("filename", "mode");
$fclose	关闭文件	$fclose(文件句柄);
$fdisplay	向文件写入数据并换行	$fdisplay(文件句柄, 格式字符串, 参数1, 参数2)
$fwrite	向文件写入数据不换行	$fwrite(文件句柄, 格式字符串, 参数1, 参数2)
$fscanf	从文件中读取格式化数据	$fscanf(文件句柄, 格式字符串, 参数1, 参数2)

（2）代码示例

module file_io_example;reg [7:0] a = 8'd15;integer file;initial begin// 打开文件以写入模式file = $fopen("output.txt", "w");// 向文件写入数据并换行$fdisplay(file, "a=%0d", a);  
// 将 "a=15" 写入 "output.txt"// 向文件写入数据不换行$fwrite(file, "Value of a is %0d", a);  
// 将 "Value of a is 15" 写入 "output.txt"// 关闭文件$fclose(file);end
endmodule

4. 数学函数

（1）函数介绍

用于执行一些常见的数学运算。

函数名	功能	用法
$clog2	返回大于等于输入值的最小对数2值	$clog2(值)
$ln	自然对数	$ln(值)
$log10	10为底的对数	$log10(值)
$exp	指数函数，返回 e 的 x 次幂	$exp(值)
$sqrt	返回平方根	$sqrt(值)
$pow	幂运算，返回 x 的 y 次幂	$pow(基数, 指数)

（2）代码示例

module math_functions_example;real num = 4.0;real result;initial begin// 计算对数2$display("clog2 of 16: %0d", $clog2(16));  
// 输出: clog2 of 16: 4// 计算自然对数$display("Natural log of 2.718: %0f", $ln(2.718));  
// 输出: Natural log of 2.718: 0.999// 计算10为底的对数$display("Log base 10 of 1000: %0f", $log10(1000));  
// 输出: Log base 10 of 1000: 3.000// 计算指数$display("Exp of 1: %0f", $exp(1));  
// 输出: Exp of 1: 2.718// 计算平方根$display("Square root of 16: %0f", $sqrt(16));  
// 输出: Square root of 16: 4.000// 计算幂运算result = $pow(2, 3);$display("2^3: %0f", result);  // 输出: 2^3: 8.000end
endmodule

5. 随机函数

（1）函数介绍

用于生成随机数，常用于测试仿真。

函数名	功能	用法
$random	返回一个随机数	integer r = $random;
$urandom	返回一个无符号随机数	integer ur = $urandom;
$urandom_range	返回一个在指定范围内的无符号随机数	integer ur = $urandom_range(下限, 上限);

（2）代码示例

module random_functions_example;integer r;integer ur;integer ur_range;initial begin// 生成一个随机数r = $random;$display("Random number: %0d", r);  
// 输出: Random number: <随机值>// 生成一个无符号随机数ur = $urandom;$display("Unsigned random number: %0d", ur);  
// 输出: Unsigned random number: <随机值>// 生成一个在指定范围内的无符号随机数ur_range = $urandom_range(1, 10);$display("Random number between 1 and 10: %0d", ur_range);  
// 输出: Random number between 1 and 10: <随机值>end
endmodule

6. 仿真控制函数

（1）函数介绍

用于控制仿真的执行。

函数名	功能	用法
$stop	暂停仿真，进入交互式调试模式	$stop;
$finish	结束仿真并关闭模拟器	$finish;

（2）代码示例

module simulation_control_example;initial begin// 暂停仿真，进入交互式调试模式$stop;  // 仿真将暂停，用户可以检查当前状态// 结束仿真并关闭模拟器$finish;  // 仿真将结束end
endmodule

这些只是 Verilog 中的一些常见系统函数，还存在其它一些更高级的系统任务或函数。学习编程语言还得多写多练，下面持续分享记录。

创作不易，感觉有用，就一键三连，感谢(●'◡'●)