2.5 Verilog 编译指令

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2023-03-14

以反引号 ` 开始的某些标识符是 Verilog 系统编译指令。

编译指令为 Verilog 代码的撰写、编译、调试等提供了极大的便利。

下面介绍下完整的 8 种编译指令，其中前 4 种使用频率较高。

`define, `undef

在编译阶段，`define 用于文本替换，类似于 C 语言中的 #define。

一旦 `define 指令被编译，其在整个编译过程中都会有效。例如，在一个文件中定义：

`define    DATA_DW     32

则在另一个文件中也可以直接使用 DATA_DW。

`define    S     $stop;   
//用`S来代替系统函数$stop; (包括分号)
`define    WORD_DEF   reg [31:0]       
//可以用`WORD_DEF来声明32bit寄存器变量

`undef 用来取消之前的宏定义，例如：

`define    DATA_DW     32
……
reg  [DATA_DW-1:0]    data_in   ;
……
`undef DATA_DW

`ifdef, `ifndef, `elsif, `else, `endif

这些属于条件编译指令。例如下面的例子中，如果定义了 MCU51，则使用第一种参数说明；如果没有定义 MCU、定义了 WINDOW，则使用第二种参数说明；如果 2 个都没有定义，则使用第三种参数说明。

`ifdef       MCU51
    parameter DATA_DW = 8   ;
`elsif       WINDOW
    parameter DATA_DW = 64  ;
`else
    parameter DATA_DW = 32  ;
`endif

`elsif, `else 编译指令对于 `ifdef 指令是可选的，即可以只有 `ifdef 和 `endif 组成一次条件编译指令块。

当然，也可用 `ifndef 来设置条件编译，表示如果没有相关的宏定义，则执行相关语句。

下面例子中，如果定义了 WINDOW，则使用第二种参数说明。如果没有定义 WINDOW，则使用第一种参数说明。

实例

`ifndef WINDOW
parameter DATA_DW = 32 ;
` else
parameter DATA_DW = 64 ;
`endif

`include

使用 `include 可以在编译时将一个 Verilog 文件内嵌到另一个 Verilog 文件中，作用类似于 C 语言中的 #include 结构。该指令通常用于将全局或公用的头文件包含在设计文件里。

文件路径既可以使用相对路径，也可以使用绝对路径。

`include         "../../param.v"
`include         "header.v"

`timescale

在 Verilog 模型中，时延有具体的单位时间表述，并用 `timescale 编译指令将时间单位与实际时间相关联。

该指令用于定义时延、仿真的单位和精度，格式为：

`timescale      time_unit / time_precision

time_unit 表示时间单位，time_precision 表示时间精度，它们均是由数字以及单位 s（秒），ms（毫秒），us（微妙），ns（纳秒），ps（皮秒）和 fs（飞秒）组成。时间精度可以和时间单位一样，但是时间精度大小不能超过时间单位大小，例如下面例子中，输出端 Z 会延迟 5.21ns 输出 A&B 的结果。

实例

`timescale 1ns / 100ps //时间单位为1ns，精度为100ps，合法
//`timescale 100ps/1ns //不合法
module AndFunc (Z , A , B ) ;
output Z ;
input A , B ;
assign # 5.207 Z = A & B
endmodule

在编译过程中，`timescale 指令会影响后面所有模块中的时延值，直至遇到另一个 `timescale 指令或 `resetall 指令。

由于在 Verilog 中没有默认的 `timescale，如果没有指定 `timescale，Verilog 模块就有会继承前面编译模块的 `timescale 参数。有可能导致设计出错。

如果一个设计中的多个模块都带有 `timescale 时，模拟器总是定位在所有模块的最小时延精度上，并且所有时延都相应地换算为最小时延精度，时延单位并不受影响。例如:

实例

`timescale 10ns / 1ns
module test ;
reg A , B ;
wire OUTZ ;

initial begin
A = 1 ;
B = 0 ;
# 1.28 B = 1 ;
# 3.1 A = 0 ;
end

AndFunc u_and (OUTZ , A , B ) ;
endmodule

在模块 AndFunc 中，5.207 对应 5.21ns。

在模块 test 中，1.28 对应 13ns，3.1 对应 31ns。

但是，当仿真 test 时，由于 AndFunc 中的最小精度为 100ps，因此 test 中的时延精度将进行重新调整。13ns 将对应 130*100ps，31ns 将对应 310*100ps。仿真时，时延精度也会使用 100ps。仿真时间单位大小没有影响。

如果有并行子模块，子模块间的 `timescale 并不会相互影响。

例如在模块 test 中再例化一个子模块 OrFunc。仿真 test 时，OrFunc 中的 #5.207 延时依然对应 52ns。

实例

//子模块：
`timescale 10ns / 1ns //时间单位为1ns，精度为100ps，合法
module OrFunc (Z , A , B ) ;
output Z ;
input A , B ;
assign # 5.207 Z = A | B
endmodule

//顶层模块：
`timescale 10ns / 1ns
module test ;
reg A , B ;
wire OUTZ ;
wire OUTX ;

initial begin
A = 1 ;
B = 0 ;
# 1.28 B = 1 ;
# 3.1 A = 0 ;
end

AndFunc u_and (OUTZ , A , B ) ;
OrFunc u_and (OUTX , A , B ) ;

endmodule

此例中，仿真 test 时，OrFunc 中的 #5.207 延时依然对应 52ns。

`timescale 的时间精度设置是会影响仿真时间的。时间精度越小，仿真时占用内存越多，实际使用的仿真时间就越长。所以如果没有必要，应尽量将时间精度设置的大一些。

`default_nettype

该指令用于为隐式的线网变量指定为线网类型，即将没有被声明的连线定义为线网类型。

`default_nettype wand

该实例定义的缺省的线网为线与类型。因此，如果在此指令后面的任何模块中的连线没有说明，那么该线网被假定为线与类型。

`default_nettype none

该实例定义后，将不再自动产生 wire 型变量。

例如下面第一种写法编译时不会报 Error，第二种写法编译将不会通过。

实例

//Z1 无定义就使用，系统默认Z1为wire型变量，有 Warning 无 Error
module test_and (
input A ,
input B ,
output Z ) ;
assign Z1 = A & B ;
endmodule

实例

//Z1无定义就使用，由于编译指令的存在，系统会报Error，从而检查出书写错误
`default_nettype none
module test_and (
input A ,
input B ,
output Z ) ;
assign Z1 = A & B ;
endmodule

`resetall

该编译器指令将所有的编译指令重新设置为缺省值。

`resetall 可以使得缺省连线类型为线网类型。

当 `resetall 加到模块最后时，可以将当前的 `timescale 取消防止进一步传递，只保证当前的 `timescale 在局部有效，避免 `timescale 的错误继承。

`celldefine, `endcelldefine

这两个程序指令用于将模块标记为单元模块，他们包含模块的定义。例如一些与、或、非门，一些 PLL 单元，PAD 模型，以及一些 Analog IP 等。

实例

`celldefine
module (
input clk ,
input rst ,
output clk_pll ,
output flag ) ;
……
endmodule
`endcelldefine

`unconnected_drive, `nounconnected_drive

在模块实例化中，出现在这两个编译指令间的任何未连接的输入端口，为正偏电路状态或者为反偏电路状态。

`unconnected_drive pull1
. . .
 / *在这两个程序指令间的所有未连接的输入端口为正偏电路状态（连接到高电平） * /
`nounconnected_drive

`unconnected_drive pull0
. . .
 / *在这两个程序指令间的所有未连接的输入端口为反偏电路状态（连接到低电平） * /
`nounconnected_drive