Verilog的If语句和Case语句

Posted 2023-03-13 孤独的单刀

这篇文章将讨论 verilog 中两个最常用的结构----if语句和case语句。

在之前的文章中学习了如何使用过程块（例如always块）来编写按顺序执行的verilog 代码。此外还可以在过程块中使用许多语句----统称为顺序语句，如case 语句和 if 语句。

这篇文章将讨论如何在 verilog 中使用这两个语句，然后，针对这两种语句构造一个简短的示例，以展示如何在实践中使用它们。

1、Verilog If 语句

if 语句是一种条件语句，它使用布尔条件来确定要执行哪些 verilog 代码。每当条件判定为真时，就执行与该条件对应的代码分支，反之亦然。此语句类似于其他编程语言（如C语言）中所使用的条件语句if。

下面的 verilog 代码片段展示了 if 语句的基本语法。

if (<expression1>) begin
  //要执行的代码
end

else if (<expression2>) begin
  //要执行的代码
end

else begin
  //要执行的代码
end

如果不需要，可以从语句中排除 else 和 else-if 分支。当然，设计者也可以根据需要包含尽可能多的 else-if 分支以正确实现底层电路。

在上面的代码片段中，这些表达式由<expression1> 和 <expression2> 给出。这些表达式按顺序计算，如果表达式的计算结果为真，则执行与表达式关联的代码；反之亦然。

if 语句中只有一个分支会被执行----通常是第一个计算结果为真的表达式。唯一的例外是当所有表达式都不为真时，在这种情况下，将执行 else 分支中的代码。

与每个分支关联的代码可以包括任何有效的 verilog 代码，包括下一级的 if 语句----这种方法称为嵌套式 if 语句。

在 verilog 中使用此类代码时，应该注意限制嵌套语句的数量，因为它会导致难以满足时序要求。

If 语句示例

接下来将以用异步复位的D触发器实现的多路选择器作为示例讲解如何使用if语句。

下面的电路图是该示例的电路。

下面的代码片段展示了如何使用一个 always 块和一个 if 语句来实现预期功能。

always @(posedge clock, posedge reset) begin
  if (reset) begin
    Q <= 1'b0;
  end
  else begin
    if (addr) begin
      Q <= b;
    end
    else begin
      Q <= a;
    end
  end
end

此示例使用的第一个 if 语句在复位时将触发器的输出设置为 0。当复位未使能且always 块被时钟的上升沿触发时----使用第一个 if 语句的 else 分支来处理这种情况。

第二个 if 语句用来实现多路选择器电路的功能---这是 verilog 中嵌套式 if 语句的示例。

当addr信号为0时，输入a的值将赋给触发器的输出，嵌套 if 语句的第一个分支将用来捕获此情况。然后，嵌套 if 语句的 else 分支被用来捕获 addr 信号为 1 的情况。

当然也可以在这里使用 else-if 类型的语句，但是 else 语句更简洁。这两种情况下的行为是相同的，因为在真实电路中信号只能是 0或 1。

2、Verilog Case语句

verilog中的case 语句根据设计中给定信号的值选择要执行的代码块。在 verilog 中编写 case 语句时，先要指定了一个要进行判断的输入信号，然后将此信号的值与 case 语句的每个分支中指定的值进行比较。一旦找到该值的匹配项，就执行该值关联的代码分支。

Verilog case 语句和C语言等编程语言中的 switch 语句功能类似。

下面的代码片段展示了 verilog 中 case 语句的一般语法。

case (<variable>)
  <value1> : begin
    //当<variable> = <value1>时执行这条语句
  end
  <value2> : begin
    //当<variable> = <value2>时执行这条语句
  end
  default : begin
    //其他条件是执行这条语句
  end
endcase

可以不使用语句的default分支----但不推荐。如果不使用语句的default分支，就应该把<variable> 的所有有效值都列举出来。

与 if 语句一样，与每个分支关联的代码可以包含任何有效的 verilog 代码。这包括下一级的顺序语句，例如 if 或 case 语句。同样，设计者也应该尽量限制嵌套语句的数量，不然设计的时序要求会是个问题。

Case语句示例

为了更好地演示在 verilog 中使用 case 语句的方式，请考虑这样的一个基本示例----简单的4选1多路选择器电路。

case 语句经常被用来在 verilog 中实现大型的多路选择器，因为它产生的代码比基于连续赋值的实现方式更具可读性。

下面的电路图展示了本例中所使用的电路。

下面的代码片段展示了如何使用 case 语句来实现这个电路。

always @(*) begin
  case (addr)
    2'b00 : begin
      q = a;
    end
    2'b01 : begin
      q = b;
    end
    2'b10 : begin
      q = c;
    end
    default : begin
      q = d;
    end
  endcase
end

此示例展示了使用 verilog 中的 case 语句实现多路选择器是多么简单的一件事。事实上，case 语句是在 verilog 中实现多路选择器的最直观方法。

在这个例子中要注意的是使用了阻塞赋值，这样做的原因是要实现组合逻辑电路，非阻塞赋值则通常会导致在设计中生成触发器。要注意的另一件事是这个例子中可以删除 default 关键字----但应该显式地列出输出 d 值所需的所有潜在的 addr 值。

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