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Verilog(共3篇)
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EBI开发手册|FPGA与STM32 EBI高速并行通信技术详解
适用场景:复杂电子系统 / 高可靠FPGA-MCU协同设计 关键词:FPGA · STM32 · EBI · LocalBus · 异步SRAM · EE学术目录 1. 为什么选EBI而非SPI? 2. EBI系统框图 3. EBI开发手册下载 4. EBI读写时序EBI读时序 EBI写时序 5. EBI硬件连接与信号定义5.1 信号连接表 5.2 硬件设计注意事项 6. FPGA端Verilog接口设计6.1 模块接口定义 6.2 核心设计要点6.2.1 信号直通与数据三态控制 3.2.2 写信号同步 6.2.3 读信号同步 7. 内部模块连接示例 8. STM32端HAL配置与驱动8.1 GPIO初始化 8.2 FMC异步SRAM模式初始化 8.3 读写驱动函数 9. 读写时序分析9.1 读时序 (FPGA → STM32) 9.2 写时序 (STM32 → FPGA) 10. 关键设计决策说明10.1 为什么写信号只用1级同步,读信号用3级? 10.2 三态门控制逻辑 10.3 地址直通 vs 同步 EBI开发手册下载 1. 为什么选EBI而非SPI? 在高可靠嵌入式系统中,STM32与FPGA通信的常见方式有SPI、I2C、UART等串行接口,以及EBI(External Bus Interface)等并行总线。虽然SPI实现简单,但在需要高带宽、低延迟、内存映射访问的场景下,EBI并行总线具有显著优势: 对比维度SPIEBI数据宽度1~4 bit (QSPI)8/16 bit理论带宽~50 MB/s (QSPI)~100+ MB/s访问方式寄存器操作内存映射 (直接读写)DMA支持有限原生支持适用场景控制命令、低速数据图像缓冲、FFT数据流、航电总线对于需要FPGA处理高速数据流(如传感器采集、信号处理)并将结果回传MCU的场景,EBI允许STM32像访问内部SRAM一样直接读写FPGA内部寄存器或FIFO,无需复杂的协议栈开销。这种"内存映射"方式使得CPU可以通过简单的指针操作完成数据交换,几乎零额外软件开销。 2. EBI系统框图 pasted_1784792114679_uqlyxj.png图片 pasted_1784792133238_8k92xm.png图片 3. EBI开发手册下载 见文章末尾 4. EBI读写时序 EBI读时序 pasted_1784792256693_rqlsy7.png图片 EBI写时序 pasted_1784792336779_i0i8ah.png图片 5. EBI硬件连接与信号定义 以STM32F407 + FPGA(Xilinx/Altera)为例,采用16位数据宽度、非复用地址模式,典型连接如下: 5.1 信号连接表 STM32 引脚FPGA 引脚信号说明PD14~PD15, PE7~PE15IO_EBI_data[15:0]EBI数据总线 (16位双向)PF0~PF5, PG0~PG13I_EBI_addr[23:0]EBI地址总线 (24位,可寻址16MB)PG9I_EBI_CS_nEBI片选 (低有效)PD4I_EBI_OE_nEBI读使能 (低有效)PD5I_EBI_WE_nEBI写使能 (低有效)—I_sys_clkFPGA系统时钟 (≥100MHz)—I_rst_n系统复位 (低有效)地址映射:Bank1_NE2 → 0x6400_0000 ~ 0x64FF_FFFF (16MB空间) 5.2 硬件设计注意事项 ⚠️ 关键提示 FPGA的IO电平必须与STM32匹配(通常 3.3V LVTTL/LVCMOS33) 数据线建议串联 22~47Ω 电阻抑制信号反射,尤其是高速运行时 地址线若不需要全部使用,可接地或接固定电平,减少FPGA引脚占用 若使用等待信号(NWAIT),需在EBI配置中使能,并在FPGA中正确驱动 航空电子场景需特别关注 EMC/EMI 设计,建议增加滤波和屏蔽 6. FPGA端Verilog接口设计 FPGA侧的核心任务是模拟一个"SRAM设备",响应STM32的读写时序。以下是基于异步SRAM模式的完整Verilog接口模块,直接对应你的实际工程代码: 6.1 模块接口定义 module EBI_LOCALBUS ( /* --------------------- Input Signals --------------------- */ input I_sys_clk, // 系统时钟 input I_rst_n, // 系统复位 input I_EBI_CS_n, // EBI片选 input I_EBI_WE_n, // EBI写信号 input I_EBI_OE_n, // EBI读信号 input [23 : 00] I_EBI_addr, // EBI地址 (24位) inout [15 : 00] IO_EBI_data, // EBI数据总线 (16位双向) input [15 : 00] I_EBI_RD_data, // CPU读数据 (来自内部模块) /* --------------------- Output Signals -------------------- */ output [15 : 00] O_EBI_WR_data, // CPU写数据 (输出到内部模块) output O_EBI_CS_n, // 片选转接 output reg O_EBI_WE_n, // 写信号同步输出 output O_EBI_RD_n, // 读信号同步输出 output [23 : 00] O_EBI_addr // 地址转接 );6.2 核心设计要点 6.2.1 信号直通与数据三态控制 // EBI片选直通 assign O_EBI_CS_n = I_EBI_CS_n; // EBI地址直通 assign O_EBI_addr = I_EBI_addr; // 写数据:EBI总线 → FPGA内部 (写操作时数据由STM32驱动) assign O_EBI_WR_data = IO_EBI_data; // 读数据:FPGA内部 → EBI总线 (仅在片选有效且读使能有效时驱动) assign IO_EBI_data = ( (I_EBI_CS_n == 1'b0) && (S_EBI_RD_N_d2 == 1'b0) ) ? I_EBI_RD_data : 16'bz;关键设计: O_EBI_CS_n 和 O_EBI_addr 为直通信号,不做时钟域转换,确保地址和片选的最小延迟 IO_EBI_data 采用三态控制:仅在 CS_n == 0 且 RD_N_d2 == 0 时驱动读数据,否则置高阻态,避免总线冲突 O_EBI_WR_data 直接采样 IO_EBI_data,因为写操作时数据总线由STM32驱动,无需三态判断 3.2.2 写信号同步 // EBI写信号打拍同步 always @(posedge I_sys_clk or negedge I_rst_n) begin if (I_rst_n == 1'b0) begin O_EBI_WE_n <= 1'b1; // 复位后写无效 end else begin O_EBI_WE_n <= I_EBI_WE_n; end end设计意图: 写信号经过1级同步,从异步EBI域转入FPGA系统时钟域 同步后的 O_EBI_WE_n 可直接用于内部模块的写使能,配合 O_EBI_addr 和 O_EBI_WR_data 完成一次完整的写操作 6.2.3 读信号同步 reg S_EBI_RD_N_d0; reg S_EBI_RD_N_d1; reg S_EBI_RD_N_d2; // EBI读信号三级打拍 always @(posedge I_sys_clk or negedge I_rst_n) begin if (I_rst_n == 1'b0) begin S_EBI_RD_N_d0 <= 1'b1; S_EBI_RD_N_d1 <= 1'b1; S_EBI_RD_N_d2 <= 1'b1; end else begin S_EBI_RD_N_d0 <= I_EBI_OE_n; S_EBI_RD_N_d1 <= S_EBI_RD_N_d0; S_EBI_RD_N_d2 <= S_EBI_RD_N_d1; end end assign O_EBI_RD_n = S_EBI_RD_N_d2;为什么读信号需要3级同步? 读信号采用三级延迟(而非写信号的1级),原因如下: 同步级数作用S_EBI_RD_N_d0第一级同步,消除亚稳态S_EBI_RD_N_d1第二级同步,稳定信号S_EBI_RD_N_d2第三级延迟,为FPGA内部模块预留数据准备时间读操作需要FPGA内部模块在检测到读使能后,将数据放到 I_EBI_RD_data 上,再通过三态门驱动到 IO_EBI_data。三级延迟确保了: 内部模块有足够的时间响应读请求 数据在 S_EBI_RD_N_d2 == 0 时已经稳定 满足STM32 EBI的数据建立时间要求 7. 内部模块连接示例 EBI_LOCALBUS 模块本身是一个总线桥接器,需要配合内部功能模块使用。以下是一个典型的寄存器文件连接示例: module internal_regfile ( input I_sys_clk, input I_rst_n, input I_cs_n, // 来自 EBI_TO_LOCALBUS.O_EBI_CS_n input I_we_n, // 来自 EBI_TO_LOCALBUS.O_EBI_WE_n input I_rd_n, // 来自 EBI_TO_LOCALBUS.O_EBI_RD_n input [23:0] I_addr, // 来自 EBI_TO_LOCALBUS.O_EBI_addr input [15:0] I_wr_data, // 来自 EBI_TO_LOCALBUS.O_EBI_WR_data output reg [15:0] O_rd_data // 送到 EBI_TO_LOCALBUS.I_EBI_RD_data ); reg [15:0] reg_file [0:255]; // 256个16位寄存器 integer i; initial begin for (i = 0; i < 256; i = i + 1) reg_file[i] = 16'd0; end // 写操作:WE_n下降沿 (同步后的信号) always @(posedge I_sys_clk or negedge I_rst_n) begin if (!I_rst_n) begin // 复位逻辑 end else if (!I_cs_n && !I_we_n) begin reg_file[I_addr[7:0]] <= I_wr_data; end end // 读操作:组合逻辑输出 (确保在RD_n有效时数据已稳定) always @(*) begin if (!I_cs_n && !I_rd_n) O_rd_data = reg_file[I_addr[7:0]]; else O_rd_data = 16'h0000; end endmodule顶层连接: module top_fpga_stm32 ( input sys_clk, input sys_rst_n, // EBI物理接口 inout [15:0] fmc_data, input [23:0] fmc_addr, input fmc_cs_n, input fmc_oe_n, input fmc_we_n ); wire [15:0] ebi_rd_data; wire [15:0] ebi_wr_data; wire ebi_cs_n; wire ebi_we_n; wire ebi_rd_n; wire [23:0] ebi_addr; EBI_LOCALBUS u_ebi_bridge ( .I_sys_clk (sys_clk), .I_rst_n (sys_rst_n), .I_EBI_CS_n (fmc_cs_n), .I_EBI_WE_n (fmc_we_n), .I_EBI_OE_n (fmc_oe_n), .I_EBI_addr (fmc_addr), .IO_EBI_data (fmc_data), .I_EBI_RD_data (ebi_rd_data), .O_EBI_WR_data (ebi_wr_data), .O_EBI_CS_n (ebi_cs_n), .O_EBI_WE_n (ebi_we_n), .O_EBI_RD_n (ebi_rd_n), .O_EBI_addr (ebi_addr) ); internal_regfile u_regfile ( .I_sys_clk (sys_clk), .I_rst_n (sys_rst_n), .I_cs_n (ebi_cs_n), .I_we_n (ebi_we_n), .I_rd_n (ebi_rd_n), .I_addr (ebi_addr), .I_wr_data (ebi_wr_data), .O_rd_data (ebi_rd_data) ); endmodule8. STM32端HAL配置与驱动 STM32侧使用HAL库配置FMC/EBI为异步SRAM模式。以下代码基于STM32F407,使用Bank1_NE2(对应地址 0x64000000): 8.1 GPIO初始化 #include "stm32f4xx_hal.h" #define FPGA_BASE_ADDR 0x64000000 // 内存映射指针 (16位访问) volatile uint16_t *fpga_regs = (volatile uint16_t *)FPGA_BASE_ADDR; static void FMC_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE(); // 数据总线 D0~D15: PD14/15, PE7~15 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC; HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_14 | GPIO_PIN_15; HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct); // 地址总线 A0~A5: PF0~PF5 (可扩展至A23) GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5; HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct); // 控制信号: NOE(PD4), NWE(PD5), NE2(PG9) GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5; HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9; HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct); }8.2 FMC异步SRAM模式初始化 void FMC_FPGA_Init(void) { SRAM_HandleTypeDef hsram = {0}; FMC_NORSRAM_TimingTypeDef Timing = {0}; FMC_GPIO_Init(); __HAL_RCC_FMC_CLK_ENABLE(); hsram.Instance = FMC_NORSRAM_DEVICE; hsram.Extended = FMC_NORSRAM_EXTENDED_DEVICE; // Bank1_NE2, 16位数据宽度, SRAM类型 hsram.Init.NSBank = FMC_NORSRAM_BANK2; hsram.Init.DataAddressMux = FMC_DATA_ADDRESS_MUX_DISABLE; // 非复用 hsram.Init.MemoryType = FMC_MEMORY_TYPE_SRAM; hsram.Init.MemoryDataWidth = FMC_NORSRAM_MEM_BUS_WIDTH_16; hsram.Init.BurstAccessMode = FMC_BURST_ACCESS_MODE_DISABLE; hsram.Init.WaitSignalPolarity = FMC_WAIT_SIGNAL_POLARITY_LOW; hsram.Init.WrapMode = FMC_WRAP_MODE_DISABLE; hsram.Init.WaitSignalActive = FMC_WAIT_TIMING_BEFORE_WS; hsram.Init.WriteOperation = FMC_WRITE_OPERATION_ENABLE; hsram.Init.WaitSignal = FMC_WAIT_SIGNAL_DISABLE; hsram.Init.ExtendedMode = FMC_EXTENDED_MODE_DISABLE; hsram.Init.AsynchronousWait = FMC_ASYNCHRONOUS_WAIT_DISABLE; hsram.Init.WriteBurst = FMC_WRITE_BURST_DISABLE; hsram.Init.ContinuousClock = FMC_CONTINUOUS_CLOCK_SYNC_ONLY; // 时序配置 (HCLK = 168MHz, 1周期 ≈ 5.95ns) // 需根据FPGA时序报告调整,满足建立/保持时间 Timing.AddressSetupTime = 2; // 地址建立: ~12ns Timing.AddressHoldTime = 1; // 地址保持 Timing.DataSetupTime = 5; // 数据建立: ~30ns Timing.BusTurnAroundDuration = 1; // 总线周转 Timing.CLKDivision = 2; Timing.DataLatency = 2; Timing.AccessMode = FMC_ACCESS_MODE_A; HAL_SRAM_Init(&hsram, &Timing, &Timing); }8.3 读写驱动函数 /** * @brief 向FPGA寄存器写入16位数据 */ static inline void FPGA_WriteReg(uint16_t reg, uint16_t value) { fpga_regs[reg] = value; __DSB(); // 数据同步屏障,确保写入完成 } /** * @brief 从FPGA寄存器读取16位数据 */ static inline uint16_t FPGA_ReadReg(uint16_t reg) { uint16_t val = fpga_regs[reg]; __DSB(); return val; } /** * @brief 批量数据写入 */ void FPGA_WriteBuffer(uint16_t reg_base, uint16_t *data, uint32_t len) { for (uint32_t i = 0; i < len; i++) { fpga_regs[reg_base + i] = data[i]; } __DSB(); } /** * @brief 批量数据读取 */ void FPGA_ReadBuffer(uint16_t reg_base, uint16_t *data, uint32_t len) { for (uint32_t i = 0; i < len; i++) { data[i] = fpga_regs[reg_base + i]; } __DSB(); }9. 读写时序分析 9.1 读时序 (FPGA → STM32) 读时序要点: I_EBI_OE_n 下降沿后,FPGA内部模块开始准备数据 经过3个时钟周期(d0 → d1 → d2),S_EBI_RD_N_d2 变为低电平 三态门在 S_EBI_RD_N_d2 == 0 时使能,将 I_EBI_RD_data 驱动到 IO_EBI_data STM32在 NOE 上升沿采样数据,需确保数据在采样前已稳定(满足DataSetupTime) 9.2 写时序 (STM32 → FPGA) 写时序要点: I_EBI_WE_n 下降沿表示写周期开始,STM32地址和数据已稳定 O_EBI_WE_n 在1个时钟周期后同步到低电平,内部模块在时钟上升沿检测 !O_EBI_WE_n && !O_EBI_CS_n 执行写操作 O_EBI_WR_data 直接采样 IO_EBI_data,无需额外延迟,因为写操作时数据总线由STM32持续驱动 10. 关键设计决策说明 10.1 为什么写信号只用1级同步,读信号用3级? 信号同步级数原因I_EBI_WE_n → O_EBI_WE_n1级写操作对FPGA是"被动接收",数据总线由STM32驱动,FPGA只需在时钟沿采样稳定的数据即可I_EBI_OE_n → S_EBI_RD_N_d23级读操作对FPGA是"主动输出",需要给内部模块预留时间准备数据,再通过三态门驱动到总线10.2 三态门控制逻辑 assign IO_EBI_data = ( (I_EBI_CS_n == 1'b0) && (S_EBI_RD_N_d2 == 1'b0) ) ? I_EBI_RD_data : 16'bz;使用 S_EBI_RD_N_d2 而非 I_EBI_OE_n 的原因: 直接使用 I_EBI_OE_n 会导致FPGA在STM32还未准备好接收数据时就驱动总线,可能产生总线冲突 使用延迟后的 S_EBI_RD_N_d2 确保:① 内部数据已准备好;② STM32的读使能确实有效;③ 满足数据建立时间 10.3 地址直通 vs 同步 assign O_EBI_addr = I_EBI_addr; // 直通,无时钟延迟地址采用组合逻辑直通而非同步,原因: 地址在EBI访问期间保持稳定,无需跨时钟域处理 减少地址到内部模块的延迟,提高访问速度 地址稳定性由STM32硬件保证 EBI开发手册下载
嵌入式&系统
FPGA&ASIC
# ASIC/FPGA
# 嵌入式
# Verilog
# C/C++
刘航宇
7月23日
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2023-12-11
大疆题解:跨时钟域脉冲信号处理—脉冲同步器(快到慢)
问题描述 题解1.1 电路波形图 1.2 代码 注意 问题描述 sig_a 是 clka(300M)时钟域的一个单时钟脉冲信号(高电平持续一个时钟clka周期),请设计脉冲同步电路,将sig_a信号同步到时钟域 clkb(100M)中,产生sig_b单时钟脉冲信号(高电平持续一个时钟clkb周期)输出。请用 Verilog 代码描述。 clka时钟域脉冲之间的间隔很大,无需考虑脉冲间隔太小的问题。 电路的接口如下图所示: 图片 题解 1.1 电路波形图 图片 如上图所述,aclk快时钟域发送的信号signal_a,慢时钟域的时钟bclk根本就采集不到,此时不能使用打两拍的方式,要想办法转换思路, 如果能够让同步于快时钟域aclk下的脉冲信号signal_a变长到可以让慢时钟域bclk检测到,那么这个问题就可以完美解决了。 所以先将快时钟域clka下的脉冲信号signal_a,在快时钟域clka的作用下,变为沿信号,产生一个名为adata的中间变量来作为脉冲信号signal_a的沿信号。如上图所示,每当快时钟域aclk检测到signal_a脉冲信号为高时,让adata信号取反,使得signal_a的第一个脉冲变为adata信号的上升沿,signal_a的第二个脉冲变为adata信号的下降沿,后面如果Signal_a信号还有脉冲依然是变为adata信号的上升沿和下降沿。 巧妙的利用将“脉冲信号”转化为“沿信号”的思想就可以使慢时钟域的时钟bclk检测到同步于快时钟域aclk且将脉冲信号signal_a转化为沿信号adata, 相当于是把同步于快时钟域aclk的脉冲信号signal_a进行了展宽处理,这样我们就把快时钟域aclk的脉冲信号signal_a通过adata信号“沿”的形式在慢时钟域bclk中得到了保留。 接着,我们再对adata信号做打两拍的处理就可以将adata信号同步到慢时钟域clkb中了。bdata0信号是adata信号在慢时钟域bclk下打的第一拍,bdata1信号是adata信号在慢速时钟域bclk下打第二拍,bdata1就是同步于慢速时钟域bclk的稳定信号。 最后,采用 边沿检测 的方法,将变为bdata1信号的“沿”再转化为脉冲信号,这里我们使用的方法是采用异或门。需要注意的是不能直接使用bdata0和bdata1来产生沿标志信号,因为bdata0信号的不稳定性可能会导致产生的沿信号也不稳定,所以需要将bdata1信号再打一拍,产生signal_b信号。 1.2 代码 //快时钟数据同步 module pulse_detect( input clka , input clkb , input rst_n , input sig_a , output sig_b ); wire sig_a; reg adata; reg bdata0; reg bdata1; reg bdata2; always @(posedge clka or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin adata <= 1'd0; end else begin adata <= adata ^ sig_a; end end always @(posedge clkb or negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin bdata0 <= 1'd0; bdata1 <= 1'd0; bdata2 <= 1'd0; end else begin bdata0 <= adata; bdata1 <= bdata0; bdata2 <= bdata1; end end assign sig_b = bdata1 ^ bdata2; endmodule注意 signal_a是两个脉冲,但是使用“脉冲同步”同步到bclk时钟域确只有一个脉冲了,在使用“脉冲同步”时应注意这一点。所以,脉冲同步一般适用于单比特信号从快时钟域传递慢时钟域的场景。
FPGA&ASIC
# ASIC/FPGA
# Verilog
刘航宇
3年前
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2023-03-13
Verilog-位宽计算的系统函数$clog2
一、什么是$clog2 clog2 这是一个系统函数,第一次出现于Verilog-2005版本中,在IEEE中处在17.11.1节的math functions中,因为log2是2进制的对数,所以这个系统函数在电路设计的计算位宽时体现出了自身的方便性,需要注意的是,这里的$clog2是向上取整的一个系统函数,比如 $clog2(5) 虽然真实的值为2.3,但经过向上取整后,最后的输出为3 二、$clog2的优势和案例 在老的IEEE verilog版本中,假如不用clog2去计算位宽,我们可能需要如下的function函数来进行位宽计算,这个函数本身很好理解,即通过移位去检测depth的位宽,之后我们需要再将计算得到的数字使用在端口定义的过程中。 function integer clog2( input integer depth ); begin if(depth == 0) clog2 = 1; else if(depth != 0) for(clog2 = 0; depth > 0;clog2 = clog2 + 1) depth = depth >> 1; end endfunction但是引入$clog2后,原function可以简化为如下的过程,很显然,通过对系统函数 $clog2的使用,我们大大减少了设计时端口宽度定义时需要code的量。 module clog2(a,b); parameter depth = 2034; input [$clog2(depth)-1:0] a; output [$clog2(depth)-1:0]b; //details about the design endmodule 三、额外补充 在Xlinix的官网的“44586 - 13.2 Verilog $clog2 function implemented improperly”中,作者发现了13.2版本的Xlinix的ISE对clog2系统函数的错误计算,按照文章中所言:“The $clog2 function returns the ceiling of the logarithm to the base e (natural logarithm) rather than the ceiling of the logarithm to the base 2.”意味着13.2版本的ISE以e为底计算clog2,而非以2为底,官方的回复是ISE 13.2 仅支持Verilog-2001,这个问题在ISE 14.1中进行了修复,所以读者假如使用的开发套件是老版本的,或者不支持Verilog-2005,都有可能因为使用clog2产生问题,需注意。具体额外补充参考如下。 44586 - 13.2 Verilog $clog2 function implemented improperly
编程&脚本笔记
# Verilog
刘航宇
3年前
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