从零开始写RISC-V处理器【2】浅谈Verilog

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从零开始写RISC-V处理器【1】前言
从零开始写RISC-V处理器【2】浅谈Verilog
从零开始写RISC-V处理器【3】硬件篇（1）
从零开始写RISC-V处理器【4】硬件篇（2）
从零开始写RISC-V处理器【5】硬件篇（3-完）

项目地址：https://gitee.com/liangkangnan/tinyriscv

verilog，确切来说应该是verilog HDL(Hardware Description Language )，从它的名字就可以知道这是一种硬件描述语言。首先它是一种语言，和C语言、C++语言一样是一种编程语言，那么verilog描述的是什么硬件呢？描述电阻？描述电容？描述运算放大器？都不是，它描述的是数字电路里的硬件，比如与、非门、触发器、锁存器等等。

既然是编程语言，那一定会有它的语法，学过C语言的同学再来看verilog得代码，会发现有很多地方是相似的。

verilog的语法并不难，难的是什么时候该用wire类型，什么时候该用reg类型，什么时候该用assign来描述电路，什么时候该用always来描述电路。assign能描述组合逻辑电路，always也能描述组合逻辑电路，两者有什么区别呢？

3.1 用always描述组合逻辑电路

我们知道数字电路里有两大类型的电路，一种是组合逻辑电路，另外一种是时序逻辑电路。组合逻辑：输出只是当前输入逻辑电平的函数（有延时），与电路的原始状态无关。当前电路输入信号任何一个发生改变，输出都将发生改变。时序逻辑：输出不仅是当前输入电平的函数，还与目前电路的状态有关。

在verilog中，assign能描述组合逻辑电路，always也能描述组合逻辑电路。对于简单的组合逻辑电路的话两者描述起来都比较好懂、容易理解，但是一旦到了复杂的组合逻辑电路，如果用assign描述的话要么是一大串要么是要用好多个assign，不容易弄明白。但是用always描述起来却是非常容易理解的。

既然这样，那全部组合逻辑电路都用always来描述好了，呵呵，既然assign存在就有它的合理性。用always描述组合逻辑电路时要注意避免产生锁存器，if和case的分支情况要写全。

在tinyriscv中用了大量的always来描述组合逻辑电路，特别是在译码和执行阶段。

3.2 数字电路设计中的时序问题

要分析数字电路中的时序问题，就一定要提到以下这个模型。

其中对时序影响最大的是上图中的组合逻辑电路。所以要避免时序问题，最简单的方法减小组合逻辑电路的延时。组合逻辑电路里的串联级数越多延时就越大，实在没办法减小串联级数时，可以采用流水线的方式将这些级数用触发器隔开。

3.3 流水线设计

要设计处理器的话，流水线是绕不开的。当然你也可以抬杠说:”用状态机也可以实现处理器啊，不一定要用流水线。”

采用流水线设计方式，不但可以提高处理器的工作频率，还可以提高处理器的效率。但是流水线并不是越长越好，流水线越长要使用的资源就越多、面积就越大。

在设计一款处理器之前，首先要确定好所设计的处理器要达到什么样的性能(或者说主频最高是多少)，所使用的资源的上限是多少，功耗范围是多少。如果一味地追求性能而不考虑资源和功耗的话，那么所设计出来的处理器估计就只能用来玩玩，或者做做学术研究。

tinyriscv采用的是三级流水线，即取指、译码和执行，设计的目标就是要对标ARM的Cortex-M3系列处理器。

3.4 代码风格

代码风格其实并没有一种标准，但是并不代表代码风格不重要。好的代码风格可以让别人看你的代码时有一种赏心悦目的感觉。哪怕代码只是写给自己看，也一定要养成好的代码风格的习惯。tinyriscv的代码风格在很大程度上沿用了写C语言代码所采用的风格。

下面介绍tinyriscv的一些主要的代码风格。

（1）缩进

统一使用4个空格。

（2）if语句

不管if语句下面有多少行语句，if下面的语句都由begin…end包起来，并且begin在if的最后，如下所示：

（3）case语句

对于每一个分支情况，不管有多少行语句，都由begin…end包起来，如下所示：

（4）always语句

always语句后跟begin，如下所示：

（5）其他

=、==、<=、>=、+、-、*、/、@等符号左右各有一个空格。

,和:符号后面有一个空格。

对于模块的输入信号，不省略wire关键字。

每个文件的最后留一行空行。

if、case、always后面都有一个空格。

完