《Verilog传奇——从电路出发的HDL代码设计》

第三讲

脚踏阴阳以生四象
内存数值而出格式常量与表达式

受造恒久永罚永夜。入此地者，弃绝一切希望。

——《神曲》

有句电影台词说得好：“没吃三天素，就想上西天，天下没那么容易的事！”

汝欲学Verilog否？

然！——由值域与表达式始。

非也，非也，吾不欲也！——“你是老道雇来踢场子的？来人啊，拖出去埋了！最讨厌土豪了，不来学习 Verilog 语言，买这本书干嘛啊？点火烤肉？老衲把你当全羊烤了！”我说嘛，前天才养了只猫，昨天晚上房梁上就有耗子叫。还以为是招财（猫的昵称）不努力呢，还饿了它一顿。现在看起来，倒是此子捣鬼。反而是在下冤枉了招财，免不得“妙鲜包”赔罪。老板，这个账找此人报销啊！

出家人慈悲为怀，善念为本，帮大家搞定了这个孽障，世界清静了，方好随老僧入Verilog之门，修行数字逻辑设计。话说在前面，练功什么的都没有捷径可走，最少老衲没有那个道行。到了鄙人手下，几乎都是老老实实的从挑水练脚力和劈柴练臂力开始，慢慢过渡到修习易筋经的。没有段誉的无量山山洞可以钻，当然更无虚竹的冰窖。别多想啦，“台上一分钟，台下十年功”，还不去担水？

一、布尔逻辑何四值

讨论一个问题，必须首先明确讨论的范围，给大家一个约束。要不很多讨论就会沦为鸡同鸭讲，变成很无聊的打嘴仗。对于数学或工程问题，有关问题的值域是一个非常重要的信息。例如，有关问题到底是伽罗华域的事情，还是实数域的概念，就会得到完全不同的结论。见过太多贵人，在争论得面红耳赤之后，突然发现原来不是讨论信号处理而是编解码的尴尬了。当然，遇到这种情况，也不是没有全身而退的办法，但是这属于耍流氓的领域了，本书不表。

回到正题，前文书说道：Verilog 语言是描述数字硬件电路的；而《数字电路》/《数字逻辑设计》教材里，又说数字电路的理论基础是布尔代数；布尔这个就偏门了，帮大家查了一下，都说这个是“二值”逻辑的。但是，为什么连维基百科里都会有如下说法呢？

“四值逻辑

逻辑值及其解释　　　　　　　　　　　　信号强度（从强到弱）及其属性

0：逻辑低电平，条件为假　　　　　　　 supply：驱动

1：逻辑高电平，条件为真　　　　　　　 strong：驱动

z：高阻态，浮动　　　　　　　　　　　　pull：驱动

x：未知逻辑电平　　　　　　　　　　　 large：存储

weak：驱动

medium：存储

small：存储

highz：高阻态

上面列出了Verilog采用的具有八种信号强度的四值逻辑（four-valued logic），数字电路中的信号可以用逻辑值、信号强度加以描述。当系统遇到信号之间的竞争时，需要考虑各组信号的状态和强度。如果驱动统一线网的信号强度不同，则输出结果是信号强度高的值；如果两个强度相同的信号之间连接到同一个线网，将会发生竞争，结果为不确定值x。”

Verilog还是用强度值来解决数字电路中不同强度的驱动源之间的赋值冲突。如果两个具有不同强度的信号驱动同一个线网，则竞争结果值为高强度信号的值。如果两个强度相同的信号之间发生竞争，则结果为不确定值。这个情况本身就是设计里的禁忌，在四值电路里容易造成短路等不可预知的危险，是不建议出现的，因此这里也不详细论述。

以上说法属于本分的范畴，也就是说，到这里也就算说清楚了；下面的介绍是交情的领域，讲讲清楚有利于大家理解。

值“0”和“1”不难理解，这个在数电里大家接触得多了，无须详述。如图2.4所示为一个5 V的TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）的典型上升沿。这个也是数电的知识，简单说吧，就是：当输出高于V OH 时，认为是输出为逻辑值“1”；当输出低于 V OL 时，认为是输出为逻辑值“0”；当输入高于 V IH 时，认为是输入为逻辑值“1”；当输入低于V IL 时，认为是输入为逻辑值“0”。

图2.4 TTL电平与逻辑值判断

电气标准里定义：V OH_min =2.4V,V OL_max =0.4V，这是对器件输出的要求；V IH_min =2.0V,V IL_max =0.8V，这是对输入信号的要求。这些具体指标不是关键，大家看看热闹就好。

还有其他标准，情况大体类似，不再赘述。

有些细心的读者要问了，那么这些“V”的高低之间的区域算什么呢？这个问题问得好，老衲正等着呢。以输入为例，如果输入电压在V IH 和V IL 之间，则在真实电路里既可能被认为是“0”，也可能被判决为“1”，通俗说就是看人品了。

在Verilog语言的仿真中间，不存在这种模棱两可的道理，于是“x”这个第三者出现了，标记输入出现问题。未知逻辑电平“x”的主要出现可能有两个。第一个：上面介绍的情况多出现于触发器等不满足采样要求（就是前面时序分析里介绍的保持时间和建立时间），俗称为“采到边沿”。另一个：触发器等具有存储功能的器件未被赋初值（包括FPGA赋初值和复位赋初值），俗称为“无初值”。大多数时序电路的当前状态（也就是各个触发器的当前值的集合）是和电路本真以前的状态有关的，这个后面会多次讲到。没有初始值，仿真软件会郁闷的，后面的值是什么完全没谱了。仿真总归比实际系统仁慈一些，于是输出的值是“x”而不是随机选择的，这样容易观察到。在大多数仿真软件输出的波形里，“x”会被标为醒目的红色，于是这种现象也就有了一个通俗的说法“全国山河一片红”。

说完了“x”再扯扯“z”。高阻态“z”与逻辑未知电平“x”是一个“语言造”的不同概念，它是在电路系统中真实存在的。

在总线连接的结构上，总线上挂有多个设备，设备与总线以高阻的形式连接，这样在设备不占用总线时自动释放总线，以方便其他设备获得总线的使用权。大部分单片机I/O使用时都可以设置为高阻输入。高阻输入可以认为输入电阻是无穷大的，认为I/O对前级的影响极小，不产生电流（不衰减），而且在一定程度上也增加了芯片的抗电压冲击能力。

高阻态是一个数字电路里常见的术语，指的是电路的一种输出状态，既不是高电平，也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路，则对下级电路无任何影响，和没接一样，如果用万用表测既有可能是高电平也有可能是低电平，由它后面接的东西而定。

进行电路分析时，高阻态可当作开路理解。你可以把它看作输出（输入）电阻非常大。它的极限状态可以认为悬空（开路）。也就是说，理论上高阻态不是悬空，它是对地或电源电阻极大的状态。而在实际应用中，它与管脚的悬空几乎是一样的。

当门电路的输出上拉管导通而下拉管截止时，输出为高电平，反之，就是低电平；当上拉管和下拉管都截止时，输出端就相当于浮空（没有电流流动），其电平随外部电平高低而定，即该门电路放弃对输出端电路的控制。

输出高阻可以利用名字叫作“三态门”的器件实现，其符号和真值表如图2.5所示。鉴于本书涉及的都是逻辑层面的内容，其内部具体电路在这里就不画出来了，读者可以自行参考有关资料。

图2.5 三态门的电气符号与真值表

高阻一般会在输入/输出管脚处使用，这时需要图2.6中所示的电路来实现。

图2.6 输入/输出管脚电路

二、数字表示二进制

世界那么大，仅仅靠两个数值“0”和“1”能表示得完全吗？这个问题在几十年前问还情有可原，现在，看看电子数字计算机的应用范围，多少活生生的例子都说明：这种怀疑是完全没有必要的。具体到技术层面，答案就在两个字里：编码。“万世万世，无所不可编码”，这个话大了点，肯定有反例。但是换一种说法：“大多数工程问题，都可通过数字化的编码解决，”这就是非常谦虚的说法了。

理论上，每位施主都可以搞一套自己私有的编码体系，只要到时不发生混淆即可。但是，沙门的建议是：如无必需，请勿创新。对于二进制无符号数、有符号数等的编码方法，前人已做了很多研究，有了许多结论，放着不用纯属浪费。

“二进制无符号数、有符号数的二进制编码”应该属于数电教习提纲里的“应教、应知、应会”内容。且容鄙人偷个懒，抄一点教科书的内容。

“二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制的数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”，由17世纪德国数理哲学大师莱布尼兹发现。当前的计算机系统使用的基本上是二进制系统，数据在计算机中主要是以补码的形式存储的。计算机中的二进制则是一个非常微小的开关，用“开”来表示1,“关”来表示0。

一般来讲，若b是基底，则在b进制系统中的数表示为a 1 b k +a 2 b k-1 +a 3 b k-2 +…+a k+1 b 0 的形式，并按次序写下数字a 1 a 2 a 3 …a k+1 。这些数字是0到b-1的自然数。

若一段文字（譬如这段文字）讨论多个基数，当有歧义时，基数（本身用十进制表示）用下标方式写在数的右边。除非有上下文说明，没有下标的数字视为十进制。通过使用一点（小数点）来将数字分成两组，这样就可以用位置系统来表示小数了。例如，在基数为2的系统中，10.11表示1×2 1 +0×2 0 +1×2 -1 +1×2 -2 =2.75。

一般来讲，b进制系统中的数有如下形式：

n n 1…1 0.−（aa aa cc c 123?）b=0=k∑k k ab n+1=k k−∞∑k cb

对于常用的二级制系统，b=2。”

“原码是一种最‘自然而然’的编码思想，就是沿袭数学上的表示。正数符号位为‘0'，负数符号位为‘1'，后面添加绝对值的无符号整数表示。以8比特位宽带符号整数格式为例，‘+1’就是（0000 0001）原，‘-1’就是（1000 0001）原。其中，下标标记编码方法在没有歧义时，可以略去不写。这个表示的最大好处就是，工程师用眼睛就可以看出数值，不必经过换算。

反码看起来就有些别扭了：正数符号位为‘0'，后面添加绝对值的无符号整数表示；负数符号位为‘1'，后面添加绝对值的无符号整数的各比特位变反表示。还是以8比特位宽带符号整数格式为例，‘+1’就是（0000 0001）反，“-1”就是（1111 1110）反。反码里的“反”字指的就是这个各比特位变反操作。这种表达的坏处很明显，任谁只看不计算，都不知道负数的值是几何。

补码瞧上去就更加‘没天理’了：正数符号位为‘0'，后面添加绝对值的无符号整数表示；负数符号位为‘1'，后面添加绝对值的无符号整数的各位变反，然后还要加上1（数值，不是每比特位加1）表示。还是以8比特位宽带符号整数格式为例，‘+1’就是（0000 0001）补，‘-1’就是（1111 1111）补（=（1111 1110）反 +0000 0001）。”

虽然说二进制是数字电路的基础，但是用一串1、0来书写数字实在是有些长，容易使人看得眼花。现在软件技术先进了，完成一个进制转化可以说是易如反掌。因此，为了方便书写及符合工程师的一般习惯，Verilog 语言里提供了关于数字的多种进制的支持，表达的一般格式如图2.7所示。除了数值部分前面已经介绍以外，其他部分的值域和含义见表2.5。