FPGA基础 -- Verilog 行为级建模之条件语句
Verilog 的行为级建模（Behavioral Modeling）中的条件语句（Conditional Statements），逐步从基础到实际工程应用，适合有RTL开发基础但希望深入行为建模的人。
一、行为级建模简介
行为级建模（Behavioral Modeling） 是 Verilog 中最接近软件编程风格的建模方式，描述的是“做什么（What）”，而不是“如何实现（How）”，相比于结构建模、门级建模，它更适合实现复杂控制逻辑、状态机、时序响应等功能。
通常使用如下块结构：
always @(*)（组合逻辑）always @(posedge clk)（时序逻辑）
二、条件语句概述
条件语句用于在不同条件下执行不同的逻辑，Verilog 中主要包括：
| 语句类型 | 用途 |
|---|---|
if / else | 判断单个或多个条件 |
case / casex / casez | 多条件选择分支 |
?: 三元运算符 | 简化 if 判断，适合组合逻辑 |
unique / priority case | SystemVerilog 新特性，帮助合成优化 |
三、基础语法讲解
1. if / else 语句（最常用）
always @(*) beginif (sel == 1'b0)out = a;elseout = b;
end
多条件嵌套：
always @(*) beginif (a == 1'b1)y = 1;else if (b == 1'b1)y = 2;elsey = 0;
end
注意：组合逻辑中要考虑覆盖所有条件，否则综合器可能插入锁存器（LATCH）。
2. case 语句
always @(*) begincase (sel)2'b00: out = a;2'b01: out = b;2'b10: out = c;default: out = d;endcase
end
适合多分支判断。优势在于易读性与综合后逻辑优化（如查找表、编码器等）。
3. casez / casex（支持通配符）
// casez 中 z 表示可以匹配 ‘z’ 或 ‘?’
casez(opcode)6'b1??_??? : action = 1; // 通配6'b000_001: action = 2;default : action = 0;
endcase
⚠️ 警告：casex 会忽略所有 X/Z 位，可能隐藏 bug，建议仅在数据确实存在不确定位时使用。
4. 三元运算符 ?:
assign out = (sel == 2'b00) ? a :(sel == 2'b01) ? b :(sel == 2'b10) ? c : d;
适合结构简单的组合逻辑，综合后效率高。
四、工程实践细节
（1）时序逻辑中使用条件语句
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)cnt <= 0;else if (cnt_en)cnt <= cnt + 1;
end
使用 if 实现控制状态机或计数器，是行为级时序逻辑建模的核心方法。
（2）避免锁存器
以下代码就会产生 latch（组合逻辑中未覆盖所有条件）：
always @(*) beginif (sel == 2'b00)out = a; // 若 sel 不等于 00，则 out 没有赋值 -> latch
end
✅ 正确方式：
always @(*) beginout = 0; // 预设默认值if (sel == 2'b00)out = a;
end
（3）SystemVerilog 推荐用法（可选）
always_comb beginunique case (sel) // 合成优化：编译器能确定只有一个有效条件2'b00: out = a;2'b01: out = b;default: out = d;endcase
end
unique、priority 可以提升综合效率并生成告警（未覆盖等），但需综合工具支持（如Vivado、Quartus Prime）。
五、对比表：行为级条件语句使用建议
| 类型 | 建议场景 | 优势 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
if/else | 控制逻辑、状态机 | 简单直观 | 注意不要遗漏条件，防 latch |
case | 多分支选择 | 易读、综合优化 | 要加 default |
?: | 简短条件赋值 | 合成效率高 | 结构复杂时可读性差 |
unique | 分支互斥选择 | 自动检测遗漏分支 | 综合器是否支持 |
六、结语与拓展
行为级建模是实现 状态控制、数据流选择、算法判断逻辑 的基础，条件语句的正确使用能：
- 避免不必要的锁存器
- 提高可综合性与时序优化潜力
- 保持逻辑的简洁清晰