詳解Verilog Case語句

一、Case語句的介紹

Case語句是Verilog中的一種條件語句，類似於其他編程語言中的Switch語句。Case語句用於多路選擇控制，比較常用的場合是對輸入信號或狀態進行處理。它可以根據一個信號或者一組信號的不同取值，執行對應的代碼塊。

二、Case語句的語法

Case語句的語法比較簡單，主要由關鍵字Case和Endcase、Case表達式、分支語句和預設語句四個部分組成。

case (Case_expression)
  case_value_1: statement_1
  case_value_2: statement_2
  ...
  case_value_n: statement_n
  default:     statement_default
endcase

其中，Case_expression是一個信號或者一組信號，case_value_1到case_value_n是用於匹配信號取值的分支，statement_1到statement_n是匹配成功後需要執行的語句，而在沒有任何一個分支匹配成功時，執行的是default中的語句。

三、Case語句的應用

1、進行狀態機設計

在一些數字系統設計中，Case語句可以用來對狀態機進行設計。狀態機是指在特定輸出和輸入信號下，通過轉變和切換不同狀態實現一些特定的功能。在Verilog中，就需要通過Case語句進行多路選擇。

module fsm (
  input clk,
  input reset,
  input [1:0] state,
  output reg [2:0] output_reg
);

parameter S1 = 2'b00;
parameter S2 = 2'b01;
parameter S3 = 2'b10;
parameter S4 = 2'b11;

always @ (posedge clk or posedge reset) begin
  if (reset) begin
    state <= S1;
  end
  else begin
    case (state)
      S1: begin
        output_reg <= 3'b001;
        state <= S2;
      end
      S2: begin
        output_reg <= 3'b010;
        state <= S3;
      end
      S3: begin
        output_reg <= 3'b011;
        state <= S4;
      end
      S4: begin
        output_reg <= 3'b100;
        state <= S1;
      end
      default: state <= S1;
    endcase
  end
end

endmodule 

上述代碼中，定義了一個基本的狀態機模塊，它包含四個狀態S1-S4，每個狀態都對應一個輸出信號output_reg的取值。當進入一個特定的狀態時，對應的輸出信號也發生相應的改變。通過case語句，實現了通過狀態變化不同的輸出信號值的設計。

2、實現觸發器的功能

Verilog中的觸發器是一種特殊的數字電路，它的輸入和輸出信號之間有一個固定的延遲時間。通過Case語句，也可以實現觸發器的功能。

module d_flip_flop (
  input clk,
  input reset,
  input d,
  output reg q
);

always @ (posedge clk) begin
  if (reset == 1'b1) begin
    q <= 1'b0;
  end
  else begin
    case (1'b1)
      1'b1: q <= d;
    endcase
  end
end

endmodule 

上述代碼中，定義了一個簡單的D觸發器模塊。當觸發信號reset為1時，輸出信號q的值為0；當觸發信號沒有觸發時，通過case語句對輸入信號d進行篩選，並將其值賦值給輸出信號q，從而實現了D觸發器的功能。

3、實現三態緩衝器的功能

三態緩衝器是數字電路中的一種常用組件，它通常被用於多個輸入輸出之間的聯繫和切換。通過Case語句，也可以實現三態緩衝器的功能。

module tristate_buffer (
  input enable,
  input [7:0] data_in,
  output [7:0] data_out
);
  
assign data_out = enable ? data_in : 8'bZ;

endmodule

上述代碼中，定義了一個三態緩衝器模塊。當觸發信號enable為1時，輸出信號data_out的值為輸入信號data_in的值；當enable為0時，輸出信號data_out的值為高阻(8’bZ)狀態，從而實現了三態緩衝器的功能。通過Case語句中的三目運算符，實現了enable信號和data_in信號的聯繫和切換。

四、Case語句的小結

Case語句是Verilog中的一種重要的條件語句，在數字系統設計中得到了廣泛的應用。通過Case語句，可以進行狀態機設計、實現觸發器和三態緩衝器的功能等。需要注意的是，Case語句中的預設語句不能省略，否則在匹配失敗時會出現語法錯誤。