Verilog語言：還真的是人格分裂的語言

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“人氣腹語術(shù)師天愿在現(xiàn)場披露了被人偶搭檔奪取靈魂的腹語術(shù)師將妻子殺害的表演節(jié)目。天愿真的陷入了多重人格，命令自己殺害妻子和子的人偶的人格出現(xiàn)了。為了不(讓自己)殺害和弟子登川有外遇的妻子，天愿提出委托想要監(jiān)視，然而第二天早上，和子真的被殺害的事件發(fā)生了。天愿坦白很可能是在自己的意識失去的時(shí)候殺害的……”（----“真相只有一個(gè)”《名偵探柯南》一向是老衲喜歡的動(dòng)畫片）這個(gè)是第 806 回《腹語師的錯(cuò)覺》的介紹。

人有雙重人格，或者叫人格分裂，那么語言呢？Verilog 語言還真的是人格分裂的語言。前回書已經(jīng)說到了，不能簡單地把 wire 類型映射為組合邏輯，同時(shí)把 reg 類型映射為時(shí)序邏輯。事實(shí)上，這兩個(gè)概念會(huì)交叉的。也就是說，wire 類型極可能被綜合為組合邏輯也可能綜合為時(shí)序邏輯，reg 類型也是這樣。

“‘reg’是什么？”最微軟的回答是：注冊表文件。這個(gè)自然沒錯(cuò)，但是違背了“到哪座山，唱哪里歌”的原則。一般的“標(biāo)準(zhǔn)”答案是：寄存器型變量。看看‘reg’，不就是‘register’（寄存器）的縮寫嗎？大多數(shù)中文教材中都是這樣說的。

下面為了說明白這樁事情，請?jiān)试S老僧引用 IEEE 有關(guān) Verilog 語言里面的原文：
“Assignments to a reg are made by procedural assignments (see 6.2 and 9.2). Since the reg holds a value between assignments, it can be used to model hardware registers. Edge-sensitive (i.e., flip-flops) and level sensitive (i.e., RS and transparent latches) storage elements can be modeled. A reg need not represent a hardware storage element since it can also be used to represent combinatorial logic.”

為了強(qiáng)調(diào)，表 1 里面給出了 wire、reg 類型和組合邏輯、時(shí)序邏輯之間的映射關(guān)系。

表 1 wire、reg 類型和組合邏輯、時(shí)序邏輯之間的映射關(guān)系

可見 reg 是“雙面間諜”的工作性質(zhì)，為了能夠“左右逢源”，自然用法要比 wire 來的復(fù)雜。類型 wire 被綜合為時(shí)序邏輯一般還真是寫錯(cuò)了，不必細(xì)表。

1. 電平觸發(fā)，組合實(shí)現(xiàn)
和 reg“孟不離焦，焦不離孟”的是關(guān)鍵詞 always，這個(gè)要記清楚。人家 wire 和 assign 是夫妻，reg 和 always 是一對，千萬不要搞混了，這不是能拉郎配的季節(jié)。

“always”的語法結(jié)構(gòu)是：
always @(sensitive_tabel)

其中，sensitive_tabel 稱作敏感列表，其中包含 always 內(nèi)部操作的一個(gè)或者多個(gè)觸發(fā)條件。字符“@”發(fā)音是“艾特”（at），大伙兒發(fā)電子郵件（e-mail）的時(shí)候常用，不羅嗦。

正如上面提到的、標(biāo)準(zhǔn)立面的說法可以是邊沿敏感和電平敏感兩種。對于組合邏輯電路，這個(gè)敏感列表里面所有條件均為電平敏感。邏輯上，當(dāng)敏感列表里面的條件符合的時(shí)候，always 內(nèi)部的操作可以進(jìn)行。但是，很多邏輯上可行的代碼，由于沒有實(shí)際電路的支持，是無法實(shí)現(xiàn)的。

在 Verilog 語言 95 版本里面，電平觸發(fā)的敏感列表的寫法是
triger1 or triger2 or triger3……

其中，triger1 等為觸發(fā)信號。當(dāng)觸發(fā)信號電平變化時(shí)，說明敏感列表里面條件符合。如果觸發(fā)信號是向量，則其中一個(gè)比特的信號變化，就認(rèn)為信號電平有變化。到了 Verilog 2001 版本，這個(gè)寫法被更加簡化了：“,”和“or”都可以用來分割敏感事件；并且，可以用“*”代表所有輸入信號，這可以防止遺漏。例 1 給出了一些符合語法的 always 的例子。

【例 1】always 與敏感列表
always @ (triger1 or triger2 or triger3)??? //Version 95 and Version 2001
always @ (triger1 , triger2 , triger3)??? //Version 2001
always @ (*)??? //Version 2001
具有完全電平敏感列表的 always 模塊，總叫人覺得就是組合邏輯了。再次強(qiáng)調(diào)數(shù)字電路是并行工作的，注意不要用“執(zhí)行”這個(gè)詞，不準(zhǔn)確。對應(yīng)的所有 assign 以及 always 帶領(lǐng)的快都是并行的，其在代碼中前后順序與輸出結(jié)果無關(guān)。也就是說例 2 里面的兩段代碼是等效的。代碼中，敏感列表 sensitive_table1 和 sensitive_table2 對應(yīng)操作 Operation_A 和操作 Operation_B。
【例 2】always 所帶操作順序與輸出結(jié)果無關(guān)

理論上，assign 后面只有一行，對于這個(gè)并行工作的理解不難，不會(huì)產(chǎn)生誤解。到了 always 這里，一般其后的代碼就有很多行了，一不注意就會(huì)出錯(cuò)。

?

2. 條件判斷，分枝多多
“用 C 語言的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià) Verilog，如同用水果的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)蜜餞?！保撬麄兊拇_很多寫法有類似，這是很容易誤導(dǎo)學(xué)習(xí)者的地方。

前文書關(guān)于“? :”選擇操作哪里介紹過，選擇與分枝在一般系統(tǒng)中是不可少的。那里介紹的代碼方法，顯然會(huì)產(chǎn)生閱讀困難 ---- 尤其是在條件比較多的時(shí)候。為了改善這一問題，也同時(shí)可以更加符合大家以前的習(xí)慣，這一講書老朽給貴客介紹“if”和“case”這兩位大家熟悉的陌生人。

先看眼里的代碼，條件語句 if 的形式有如表 2 中的三種。其中，condition 等表示選擇的條件，operation 等表示對應(yīng)的操作。請注意，這里的表達(dá)式“選擇”，目的是和電路對應(yīng)，不是故意和別人不一樣的嘩眾取寵。

表 2 條件語句 if 的格式

表 .2 中“對應(yīng)電路”一行也請施主們注意，if 語句中條件的所有路徑覆蓋不全面，可能會(huì)產(chǎn)生時(shí)序電路的。對于 reg 類型的變量，需要滿足“條件不滿足的時(shí)候，保持原值”；同時(shí)，組合電路不可“自賦值”（也就是類似“a <= a”的形式）。當(dāng)需要“保持”的時(shí)候，純組合電路是無法滿足的。所以，綜合器會(huì)引入“鎖存器”。不是綜合器自作主張，這是代碼的要求?！疤熳髂酹q可恕，自作孽不可活”，只能怪你自己了，哭吧！這個(gè)對應(yīng)的器件是鎖存器，不是這里的重點(diǎn)，會(huì)在以后介紹。這里要說的是：要產(chǎn)生組合邏輯，if 的條件路徑必須全覆蓋。

if 語句中條件的所有路徑覆蓋不全面，可能會(huì)產(chǎn)生時(shí)序電路的。這個(gè)對應(yīng)的器件是鎖存器，不是這里的重點(diǎn)，以后介紹。這里要說的是：要產(chǎn)生組合邏輯，if 的條件路徑必須全覆蓋。

例 3 是一個(gè)單級條件語句 if 應(yīng)用的例子，其功能是求有符號數(shù)絕對值。其中，輸入為 8 比特有符號數(shù)，編碼方式為補(bǔ)碼；輸出是輸入數(shù)值的絕對值。具體算法是：
?

【例 3】絕對值運(yùn)算模塊
module abs
? (
??? input[7:0] signed_value,
??? output reg[6:0] result
? );

//Definition for Variables in the module

//Load other module(s)

//Logical
always @(signed_value)
begin
??? if ( signed_value[7])
? //Negative number input
? begin
????? result <= (~signed_value[6:0]) + 7'h01;
? end
? else
? //Positive number or zero input
? begin
????? result <= signed_value[6:0];
? end
end

endmodule

?

3. 多種情況，并列判決
在條件很多的時(shí)候，用 if 語句來寫還是很麻煩的，搞不好就是是一個(gè)條件路徑覆蓋不完全。這個(gè)時(shí)候，可以選擇 case 套餐。case 語句是一種多分支選擇語句， Verilog 語言提供的 case 語句直接處理多分支選擇。多分支的 case 有三種形式，如表 3 所示。

表 3 條件語句 case 的形式

case 括弧內(nèi)的變量稱為控制表達(dá)式，case 分支項(xiàng)中的常數(shù)稱為分支表達(dá)式?？刂票磉_(dá)式通常表示為控制信號的某些位，分支表達(dá)式則用這些控制信號的具體狀態(tài)值來表示，因此分支表達(dá)式又可以稱為常量表達(dá)式。當(dāng)控制表達(dá)式的值與分支表達(dá)式的值相等時(shí)，就執(zhí)行分支表達(dá)式后面的語句。如果所有的分支表達(dá)式的值都沒有與控制表達(dá)式的值相匹配的，就執(zhí)行 default 后面的語句。

default 項(xiàng)可有可無，一個(gè) case 語句里只能有一個(gè) default 項(xiàng)。 當(dāng)分支表達(dá)式可以覆蓋控制表達(dá)式全部分枝路徑時(shí)，default 可以不寫。但是，有時(shí)候這個(gè)全覆蓋不是那么容易看出來的，所以建議最好寫上 default，哪怕有冗余這個(gè) default 永遠(yuǎn)不可能被實(shí)現(xiàn)。也請大家放心，這種冗余綜合軟件會(huì)大伙兒去掉的，不必?fù)?dān)心浪費(fèi)電路資源。

每一個(gè) case 分項(xiàng)的分支表達(dá)式的值必須互不相同，否則就會(huì)出現(xiàn)矛盾現(xiàn)象（對表達(dá)式的同一個(gè)值，有多種執(zhí)行方案）。

執(zhí)行完 case 分項(xiàng)后的語句，則跳出該 case 語句結(jié)構(gòu)，終止 case 語句的執(zhí)行。（精通 C 語言的大蝦們請?zhí)貏e注意這點(diǎn)，這里 case 操作執(zhí)行完之后不必寫 break 了。）

在用 case 語句表達(dá)式進(jìn)行比較的過程中，只有當(dāng)信號的對應(yīng)位的值能明確進(jìn)行比較時(shí)，比較才能成功，因此要詳細(xì)說明 case 分項(xiàng)的分支表達(dá)式的值。

case 語句的所有表達(dá)式的值的位寬必須相等，只有這樣控制表達(dá)式和分支表達(dá)式才能進(jìn)行對應(yīng)位的比較。一個(gè)經(jīng)常犯的錯(cuò)誤是用'bx、'bz 來替代 n'bx、n'bz，這樣寫是不對的，因?yàn)樾盘?x、z 的缺省寬度是機(jī)器的字節(jié)寬度，通常是 32 位（此處 n 是 case 控制表達(dá)式的位寬）。

當(dāng)分支表達(dá)式不完全覆蓋控制表達(dá)式全部分枝路徑時(shí)，您老有偷懶沒有寫 default 的情況下，可能產(chǎn)生時(shí)序邏輯的鎖存器的，這點(diǎn)和條件 if 語句類似。例 4 是一個(gè)例子，說明了 default 的重要性。但是，圖 1 中的“l(fā)d”是鎖存器已經(jīng)是時(shí)序電路的元件了，超越了本章的范圍。

【例 4】case 語句條件覆蓋不全產(chǎn)生會(huì)綜合出鎖存器
代碼 1：組合邏輯電路寫法
module case_full
? (
??? input[7:0] number,
? input[1:0] select,
??? output reg[7:0] result
? );
?
//Load other module(s)

//Definition for Variables in the module

//Logical
always @(*)
begin
??? case (select)
??????? 2'b00:
??????? begin
????????????? result <= number + 8'b0000_0001;
??????? end
??????? 2'b01:
??????? begin
????????????? result <= number;
??????? end
??????? 2'b10:
??????? begin
????????????? result <= number - 8'b0000_0001;
??????? end
??????? default:
??????? begin
????????????? result <= 8'b0000_0000;
??????? end
??? endcase
end?
endmodule

圖 1 例 4 綜合出的電路圖（全部為組合邏輯）

?

4. 多路選擇，一個(gè)例子
數(shù)據(jù)選擇器（也稱為：多路復(fù)用器，英文：multiplexer，簡寫：MUX），是一種從多路輸入信號中選擇一個(gè)信號作為輸出的器件。電器符號如圖 2 所示。

圖 2 數(shù)據(jù)選擇器的電氣符號

數(shù)據(jù)選擇器的的邏輯功能是：

注意，其中輸入 I0、I1 和 SEL 以及輸出 O 都是 1 比特位寬的信號。對應(yīng)布爾邏輯表達(dá)式是

對應(yīng) Verilog 代碼為：
1） 利用？ ：表達(dá)式
input SEL;
input I0;
input I1;
output O
assign O =(SEL) ? (I0) : (I1);
代碼中關(guān)鍵的部分是?? :表達(dá)式，其語法結(jié)構(gòu)為 (邏輯表達(dá)式) ?? (值 0) : (值 1)；作用是

所以，以上代碼滿足了數(shù)字電路里面數(shù)據(jù)選擇器的功能。

2） 利用 if 關(guān)鍵詞
If (SEL == 1’b0)
begin
?? O = I0;
end
else
begin
?? O = I1;
end
3） 利用 case 關(guān)鍵詞
case (SEL)
??? 1’b0:
????? begin
??????? O = I0;
????? end
??? 1’b1:
????? begin
???????? O = I1;
????? end
endcase

在很多情況下，需要選擇的輸入位寬大于 1，這個(gè)時(shí)候只要兩個(gè)待選擇的輸入與輸出的位寬一致，照樣可以實(shí)現(xiàn)功能（以下按照 8 比特輸入為例）。此時(shí) Verilog 代碼除了模塊的接口位寬，其他部分幾乎沒有變化：

input SEL;
input[7:0] I0;
input[7:0]? I1;
output[7:0]? O
assign O =(SEL) ? (I0) : (I1);

當(dāng)然用 if 或者 case 語句也可以實(shí)現(xiàn)，相信讀者舉一反三的能力，就不羅列了。
很多讀者或許會(huì)感覺到筆者十分啰嗦，實(shí)則不然，圖 3 是多位輸入的數(shù)據(jù)選擇器的電氣原理圖。

圖 3 多位數(shù)據(jù)選擇器的電路原理圖

上圖看起來是順理成章的。這里之所以筆者還不厭其煩的畫出來，是為了叫讀者看到多位與 1 比特實(shí)現(xiàn)上的區(qū)別。如果眼睛還沒有貴恙的話，可以看出來多位數(shù)據(jù)選擇器就是若干 1 比特?cái)?shù)據(jù)選擇器的并行排列。考慮到前面內(nèi)容介紹的時(shí)延問題，需要提醒讀者注意的是這個(gè)位數(shù)很高（當(dāng)然不是例子里面的 8 比特）的時(shí)候，輸入和輸出信號的 skew（線間時(shí)延）可能會(huì)給設(shè)計(jì)帶來麻煩。

另一種常見的情況是輸入不止有兩個(gè)信號，或者說需要在不僅僅兩個(gè)信號里面進(jìn)行選擇，這個(gè)叫做高階數(shù)據(jù)選擇器（一般吧 SEL 的比特?cái)?shù)稱為數(shù)據(jù)選擇器的階數(shù)）。通常輸入個(gè)數(shù)是 2 的冪，此時(shí)選擇信號 SEL 也就不僅是 1 比特信號了，這個(gè)很容易理解。在理論上，可以通過展開布爾邏輯表達(dá)式的方法，完成高速的高階數(shù)據(jù)選擇器。例如，2 階（也就是有 4 個(gè)輸入信號，SEL 為 2 比特變量）的隨機(jī)選擇的布爾邏輯表達(dá)式為：
?

其中，I0、I1、I2 和 I3 為器件的輸入，S0 和 S1 為 SEL 信號的低比特和高比特。
這個(gè)式子已經(jīng)不簡單了，如果是 10 階神馬的數(shù)據(jù)選擇器，那樣的式子的長度不難想象。所以，在工程上，一般利用低階數(shù)據(jù)選擇器的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高階數(shù)據(jù)選擇器。圖 4 是一個(gè)用 3 個(gè) 1 階數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn) 2 階數(shù)據(jù)選擇器的例子。

圖 4 利用低階數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)高階數(shù)據(jù)選擇器

對于高階數(shù)據(jù)選擇器的 Verilog 代碼，一般建議利用 case 的形式。例如圖 3 里面的 2 階數(shù)據(jù)選擇器可以用以下代碼實(shí)現(xiàn)：
case (SEL)
?? 2’b00:
?????? begin
???????? O = I0;
?????? end
?? 2’b01:
?????? begin
???????? O = I1;
????? end
2’b01:
?????? begin
???????? O = I2;
?????? end
?? 2’b11:
?????? begin
???????? O = I3;
????? end

endcase
這正是：
“
組合邏輯大融合，關(guān)鍵語法有心得。不論理論數(shù)學(xué)河，電路優(yōu)化靠綜合。
鄙人說書自有樂，撬行老僧沙彌哥。報(bào)告整理嫉妒惹，大乘渡人笑呵呵。
”
?

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：溫故而知新：從電路里來，到 Verilog 里去！

之二：Verilog 編程無法一蹴而就，語言層次講究“名正則言順”

之三：數(shù)字邏輯不容小窺，電路門一統(tǒng)江湖