详解Verilog Case语句

一、Case语句的介绍

Case语句是Verilog中的一种条件语句，类似于其他编程语言中的Switch语句。Case语句用于多路选择控制，比较常用的场合是对输入信号或状态进行处理。它可以根据一个信号或者一组信号的不同取值，执行对应的代码块。

二、Case语句的语法

Case语句的语法比较简单，主要由关键字Case和Endcase、Case表达式、分支语句和缺省语句四个部分组成。

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是一个信号或者一组信号，case_value_1到case_value_n是用于匹配信号取值的分支，statement_1到statement_n是匹配成功后需要执行的语句，而在没有任何一个分支匹配成功时，执行的是default中的语句。

三、Case语句的应用

1、进行状态机设计

在一些数字系统设计中，Case语句可以用来对状态机进行设计。状态机是指在特定输出和输入信号下，通过转变和切换不同状态实现一些特定的功能。在Verilog中，就需要通过Case语句进行多路选择。

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 

上述代码中，定义了一个基本的状态机模块，它包含四个状态S1-S4，每个状态都对应一个输出信号output_reg的取值。当进入一个特定的状态时，对应的输出信号也发生相应的改变。通过case语句，实现了通过状态变化不同的输出信号值的设计。

2、实现触发器的功能

Verilog中的触发器是一种特殊的数字电路，它的输入和输出信号之间有一个固定的延迟时间。通过Case语句，也可以实现触发器的功能。

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 

上述代码中，定义了一个简单的D触发器模块。当触发信号reset为1时，输出信号q的值为0；当触发信号没有触发时，通过case语句对输入信号d进行筛选，并将其值赋值给输出信号q，从而实现了D触发器的功能。

3、实现三态缓冲器的功能

三态缓冲器是数字电路中的一种常用组件，它通常被用于多个输入输出之间的联系和切换。通过Case语句，也可以实现三态缓冲器的功能。

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

endmodule

上述代码中，定义了一个三态缓冲器模块。当触发信号enable为1时，输出信号data_out的值为输入信号data_in的值；当enable为0时，输出信号data_out的值为高阻(8'bZ)状态，从而实现了三态缓冲器的功能。通过Case语句中的三目运算符，实现了enable信号和data_in信号的联系和切换。

四、Case语句的小结

Case语句是Verilog中的一种重要的条件语句，在数字系统设计中得到了广泛的应用。通过Case语句，可以进行状态机设计、实现触发器和三态缓冲器的功能等。需要注意的是，Case语句中的缺省语句不能省略，否则在匹配失败时会出现语法错误。