### 处理器结构——基于Verilog HDL的Computer Architecture Handbook
#### 1. 引言
本手册《处理器结构 Computer Architecture Handbook on Verilog HDL》由Bucknell大学计算机科学系的Daniel C. Hyde博士编写，是一份针对CSCI320课程的指导性文档。该手册旨在介绍Verilog HDL语言及其在计算机组成原理中的应用。
**1.1 Verilog HDL是什么？**
Verilog HDL（硬件描述语言）是一种专门用于数字系统设计的语言。它可以用来描述不同级别的数字系统，例如计算机或其组成部分。Verilog HDL可以用于描述集成电路(IC)芯片上的布线、电阻和晶体管布局（即开关级），也可以用于描述数字系统中的逻辑门和触发器（即门级）。
**1.2 VeriWell是什么？**
虽然文档中没有明确提到VeriWell的具体定义，但从上下文来看，VeriWell可能是用于模拟Verilog HDL代码的软件工具之一。它可能具备创建、编辑、编译和模拟Verilog程序的功能，帮助用户更好地理解和调试他们的设计。
**1.3 为什么使用Verilog HDL？**
Verilog HDL被广泛应用于数字电路设计领域，原因包括：
- **高级抽象**：Verilog HDL允许设计师以较高层次来描述电路行为，从而更容易理解并管理复杂的数字系统。
- **可移植性**：Verilog HDL编写的代码可以在不同的硬件平台上运行，提高了设计的灵活性。
- **强大的模拟支持**：Verilog HDL与多种模拟工具兼容，便于验证设计的正确性和性能。
- **广泛的社区支持**：由于Verilog HDL是开放标准，因此有着庞大的用户社区，可以轻松获取到各种资源和支持。
#### 2. Verilog语言
**2.1 第一个Verilog程序**
本节提供了一个简单的Verilog程序示例，帮助读者快速入门。通常，这样的示例会涉及基本的电路描述，如简单的逻辑门组合。
**2.2 词汇约定**
- **关键字**：Verilog HDL中有预定义的关键字，这些关键字不能用作标识符（如变量名）。
- **标识符**：用于命名模块、信号、变量等。
- **注释**：有两种类型的注释：“//”用于单行注释，“/* */”用于多行注释。
- **结束标志**：某些语句必须以分号“;”结尾。
**2.3 程序结构**
Verilog HDL程序通常包含以下部分：
- **模块定义**：每个程序由一个或多个模块组成，模块是Verilog HDL的基本构建单元。
- **端口声明**：每个模块都有输入端口和输出端口，用于与其他模块交互。
- **内部信号声明**：用于模块内部的数据传递。
- **逻辑描述**：使用Verilog HDL语法描述模块的行为或结构。
**2.4 数据类型**
Verilog HDL支持多种数据类型，包括：
- **物理数据类型**：如`wire`和`reg`，用于表示数字系统的物理信号。
- **抽象数据类型**：如`integer`和`real`，用于数值计算。
**2.5 运算符**
Verilog HDL提供了丰富的运算符集，包括但不限于：
- **二元算术运算符**：加法（+）、减法（-）、乘法（*）、除法（/）。
- **一元算术运算符**：取反（~）、负号（-）。
- **关系运算符**：大于（>）、小于（<）、等于（==）。
- **逻辑运算符**：与（&&）、或（||）、非（!）。
- **位运算符**：按位与（&）、按位或（|）、按位异或（^）。
- **单目缩减运算符**：用于对操作数进行位操作。
- **其他运算符**：如条件运算符（?:）。
**2.6 控制结构**
Verilog HDL还支持常用的控制结构，如：
- **选择结构**：`if` 和 `case` 语句。
- **循环结构**：`for`、`while` 和 `repeat` 语句。
- **其他语句**：如`parameter`语句、连续赋值语句和过程赋值语句。
**2.7 其他语句**
此外，Verilog HDL还提供了一些特定的语句，例如：
- **`parameter` 语句**：用于定义常量。
- **连续赋值**：使用`assign`关键字实现信号之间的赋值。
- **阻塞与非阻塞过程赋值**：阻塞赋值使用`=`, 非阻塞赋值使用`<=`。
**2.8 任务和函数**
Verilog HDL还支持定义任务和函数，用于封装重复使用的代码块。
- **任务**：类似于子程序，用于执行一系列操作，但不返回值。
- **函数**：返回单一值的代码块。
**2.9 时间控制**
Verilog HDL支持时间控制，这对于模拟时序非常关键。
- **延迟控制**：使用`#`符号指定延迟。
- **事件**：用于监控信号变化。
- **`wait` 语句**：等待特定条件成立。
- **`fork` 和 `join` 语句**：支持并行处理。
**2.10 交通灯示例**
文档中给出了一个交通灯的示例，通过该示例可以更深入地了解如何使用Verilog HDL来设计实际的应用场景。
#### 3. 使用VeriWell模拟器
本节介绍了如何使用VeriWell模拟器来创建模型文件并运行模拟。
**3.1 创建模型文件**
需要创建一个模型文件，该文件包含了待模拟的Verilog HDL代码。
**3.2 启动模拟器**
启动模拟器后，可以通过命令行或图形界面加载模型文件。
**3.3 如何退出模拟器？**
文档中提到了退出模拟器的方法。
**3.4 模拟器选项**
介绍了模拟器的各种选项，以便用户可以根据需要调整模拟环境。
**3.5 调试**
描述了如何使用模拟器提供的调试工具来定位和修复错误。
#### 4. 系统任务和函数
Verilog HDL提供了一系列系统任务和函数，用于辅助设计和调试。
- **`$cleartrace`**：清除追踪信息。
- **`$display`**：显示消息。
- **`$finish`**：结束模拟。
- **`$monitor`**：监控变量的变化。
- **`$scope`**：操作当前作用域。
- **`$settrace`**：设置追踪信息。
- **`$showscopes`**：显示当前的作用域层次。
- **`$showvars`**：显示变量。
- **`$stop`**：停止模拟。
- **`$time`**：获取当前时间。
#### 结论
通过本手册的学习，读者不仅可以掌握Verilog HDL的基础知识，还能学会如何使用VeriWell模拟器进行数字系统的设计和模拟。这对于学习计算机组成原理和数字电路设计的学生来说是非常宝贵的资源。
zhucheyongde2013-05-09处理器结构方面的经典读物
