一文詳解Verilog表達式

表達式

表達式由操作符和操作數(shù)構(gòu)成，其目的是根據(jù)操作符的意義得到一個計算結(jié)果。表達式可以在出現(xiàn)數(shù)值的任何地方使用。例如：

a^b ;          //a與b進行異或操作
address[9:0] + 10'b1 ;  //地址累加
flag1 && flag2 ;  //邏輯與操作

操作數(shù)

操作數(shù)可以是任意的數(shù)據(jù)類型，只是某些特定的語法結(jié)構(gòu)要求使用特定類型的操作數(shù)。

操作數(shù)可以為常數(shù)，整數(shù)，實數(shù)，線網(wǎng)，寄存器，時間，位選，域選，存儲器及函數(shù)調(diào)用等。

module test;


//實數(shù)
real a, b, c;
c = a + b ;


//寄存器
reg  [3:0]       cprmu_1, cprmu_2 ;
always @(posedge clk) begin
       cprmu_2 = cprmu_1 ^ cprmu_2 ;
end

//函數(shù)
reg  flag1 ;
flag = calculate_result(A, B);

//非法操作數(shù)
reg [3:0]         res;
wire [3:0]        temp;
always@ （*）begin
    res    = cprmu_2 – cprmu_1 ;
    //temp = cprmu_2 – cprmu_1 ; 
    //不合法，always塊里賦值對象不能是wire型
end


endmodule

操作符

Verilog 中提供了大約 9 種操作符，分別是算術(shù)、關(guān)系、等價、邏輯、按位、歸約、移位、拼接、條件操作符。

大部分操作符與 C 語言中類似。同類型操作符之間，除條件操作符從右往左關(guān)聯(lián)，其余操作符都是自左向右關(guān)聯(lián)。圓括號內(nèi)表達式優(yōu)先執(zhí)行。

例如下面前兩組內(nèi)的 2 種寫法都是等價的，后面一組的兩種寫法是不等價的。

//自左向右關(guān)聯(lián)，兩種寫法等價

A+B-C ;

(A+B)-C ;

//自右向左關(guān)聯(lián)，兩種寫法等價：結(jié)果為 B，或 D、F

A ? B : C ? D : F ;

A ? B : (C ? D : F) ;

//自右向左關(guān)聯(lián)，兩種寫法不等價

(A ? B : C) ? D : F ; //結(jié)果為 D 或 F

A ? B : C ? D : F ;

不同操作符之間，優(yōu)先級是不同的。下表列出了操作符優(yōu)先級從高至低的排列順序。當沒有圓括號時，Verilog 會根據(jù)操作符優(yōu)先級對表達式進行計算。為了避免由操作符優(yōu)先級導致的計算混亂，在不確定優(yōu)先級時，建議用圓括號將表達式區(qū)分開來。

算術(shù)操作符

算術(shù)操作符包括單目操作符和雙目操作符。

雙目操作符對 2 個操作數(shù)進行算術(shù)運算，包括乘（*）、除（/）、加（+）、減（-）、求冪（**）、取模（%）。

reg [3:0]  a, b;
reg [4:0]  c ;
a = 4'b0010 ;
b = 4'b1001 ;
c = a+b;        //結(jié)果為c=4'b1011
c = b/a;          //結(jié)果為c=4，取整

如果操作數(shù)某一位為 X，則計算結(jié)果也會全部出現(xiàn) X。例如：

b = 4'b100x ;
c = a+b ;       //結(jié)果為c=4'bxxxx

對變量進行聲明時，要根據(jù)變量的操作符對變量的位寬進行合理聲明，不要讓結(jié)果溢出。上述例子中，相加的 2 個變量位寬為 4bit，那么結(jié)果寄存器變量位寬最少為 5bit。否則，高位將被截斷，導致結(jié)果高位丟失。無符號數(shù)乘法時，結(jié)果變量位寬應該為 2 個操作數(shù)位寬之和。

reg [3:0]        mula ;
reg [1:0]        mulb;
reg [5:0]        res ;
mula = 4'he   ;
mulb = 2'h3   ;
res  = mula * mulb ; //結(jié)果為res=6'h2a, 數(shù)據(jù)結(jié)果沒有丟失位數(shù)

• 和 - 也可以作為單目操作符來使用，表示操作數(shù)的正負性。此類操作符優(yōu)先級最高。

-4  //表示負4
+3  //表示正3

負數(shù)表示時，可以直接在十進制數(shù)字前面增加一個減號 “-”，也可以指定位寬。因為負數(shù)使用二進制補碼來表示，不指定位寬來表示負數(shù)，編譯器在轉(zhuǎn)換時，會自動分配位寬，從而導致意想不到的結(jié)果。例如：

mula = -4'd4 ;
mulb = 2 ;
res = mula * mulb ;      //計算結(jié)果為res=-6'd8, 即res=6'h38，正常
res = (-'d4) * mulb ;    //((2的32次冪)-4) * 2, 結(jié)果異常

◆關(guān)系操作符

關(guān)系操作符有大于（>），小于（<），大于等于（>=），小于等于（<=）。

關(guān)系操作符的正常結(jié)果有 2 種，真（1）或假（0）。

如果操作數(shù)中有一位為 x 或 z，則關(guān)系表達式的結(jié)果為 x。

A = 4 ;
B = 3 ;
X = 3'b1xx ;

A > B     //為真
A <= B    //為假
A >= X    //為X，不確定

◆等價操作符

等價操作符包括邏輯相等（==），邏輯不等（!=），全等（===），非全等（!==）。

等價操作符的正常結(jié)果有 2 種：為真（1）或假（0）。

邏輯相等/不等操作符不能比較 x 或 z，當操作數(shù)包含一個 x 或 z，則結(jié)果為 x。

全等比較時，如果按位比較有相同的 x 或 z，返回結(jié)果也可以為 1，即全等比較可比較 x 或 z。所以，全等比較的結(jié)果一定不包含 x。舉例如下：

A = 4 ;
B = 8'h04 ;
C = 4'bxxxx ;
D = 4'hx ;
A == B        //為真
A == (B + 1)  //為假
A == C        //為X，不確定
A === C       //為假，返回值為0
C === D       //為真，返回值為1

◆邏輯操作符

邏輯操作符主要有 3 個：&&（邏輯與）, ||（邏輯或），!（邏輯非）。

邏輯操作符的計算結(jié)果是一個 1bit 的值，0 表示假，1 表示真，x 表示不確定。

如果一個操作數(shù)不為 0，它等價于邏輯 1；如果一個操作數(shù)等于 0，它等價于邏輯 0。如果它任意一位為 x 或 z，它等價于 x。

如果任意一個操作數(shù)包含 x，邏輯操作符運算結(jié)果不一定為 x。

邏輯操作符的操作數(shù)可以為變量，也可以為表達式。例如：

A = 3;
B = 0;
C = 2'b1x ;

A && B    //     為假
A || B    //     為真
! A       //     為假
! B       //     為真
A && C    //     為X，不確定
A || C    //     為真，因為A為真
(A==2) && (! B)  //為假，此時第一個操作數(shù)為表達式

◆按位操作符

按位操作符包括：取反（ ），與（&），或（|），異或（^），同或（ ^）。

按位操作符對 2 個操作數(shù)的每 1bit 數(shù)據(jù)進行按位操作。

如果 2 個操作數(shù)位寬不相等，則用 0 向左擴展補充較短的操作數(shù)。

取反操作符只有一個操作數(shù)，它對操作數(shù)的每 1bit 數(shù)據(jù)進行取反操作。

下圖給出了按位操作符的邏輯規(guī)則。

A = 4'b0101 ;
B = 4'b1001 ;
C = 4'bx010 ;

~A        //4'b1010
A & B     //4'b0001
A | B     //4'b1101
A ^ B       //4'b1100
A ~^ B    //4'b0011
B | C     //4'b1011
B & C       //4'bx000

◆歸約操作符

歸約操作符包括：歸約與（&），歸約與非（ &），歸約或（|），歸約或非（ |），歸約異或（^），歸約同或（~^）。

歸約操作符只有一個操作數(shù)，它對這個向量操作數(shù)逐位進行操作，最終產(chǎn)生一個 1bit 結(jié)果。

邏輯操作符、按位操作符和歸約操作符都使用相同的符號表示，因此有時候容易混淆。區(qū)分這些操作符的關(guān)鍵是分清操作數(shù)的數(shù)目，和計算結(jié)果的規(guī)則。

A = 4'b1010 ;
&A ;      //結(jié)果為 1 & 0 & 1 & 0 = 1'b0，可用來判斷變量A是否全1
~|A ;     //結(jié)果為 ~(1 | 0 | 1 | 0) = 1'b0, 可用來判斷變量A是否為全0
^A ;      //結(jié)果為 1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 = 1'b0

◆移位操作符

移位操作符包括左移（<<），右移（>>），算術(shù)左移（<<<），算術(shù)右移（>>>）。

移位操作符是雙目操作符，兩個操作數(shù)分別表示要進行移位的向量信號（操作符左側(cè)）與移動的位數(shù)（操作符右側(cè)）。

算術(shù)左移和邏輯左移時，右邊低位會補 0。

邏輯右移時，左邊高位會補 0；而算術(shù)右移時，左邊高位會補充符號位，以保證數(shù)據(jù)縮小后值的正確性。

A = 4'b1100 ;
B = 4'b0010 ;
A = A >> 2 ;        //結(jié)果為 4'b0011
A = A << 1;         //結(jié)果為 4'b1000
A = A <<< 1 ;       //結(jié)果為 4'b1000
C = B + (A>>>2);    //結(jié)果為 2 + (-4/4) = 1, 5'b00001
// C = 5'b00010 + 5'b11111 = 6'b100001, 取五位有效數(shù)據(jù)

◆拼接操作符

拼接操作符用大括號（{，}）來表示，用于將多個操作數(shù)（向量）拼接成新的操作數(shù)（向量），信號間用逗號隔開。

拼接符操作數(shù)必須指定位寬，常數(shù)的話也需要指定位寬。例如：

A = 4'b1010 ;
B = 1'b1 ;
Y1 = {B, A[3:2], A[0], 4'h3 };  //結(jié)果為Y1='b1100_0011
Y2 = {4{B}, 3'd4};  //結(jié)果為 Y2=7'b111_1100
Y3 = {32'{1'b0}};  //結(jié)果為 Y3=32h0，常用作寄存器初始化時匹配位寬的賦初值

◆條件操作符

條件表達式有 3 個操作符，結(jié)構(gòu)描述如下：

condition_expression ? true_expression : false_expression

計算時，如果 condition_expression 為真（邏輯值為 1），則運算結(jié)果為 true_expression；如果 condition_expression 為假（邏輯值為 0），則計算結(jié)果為 false_expression。

assign hsel    = (addr[9:8] == 2'b0) ? hsel_p1 : hsel_p2 ;

//當信號 addr 高 2bit 為 0 時，hsel 賦值為 hsel_p1; 否則，將 hsel_p2 賦值給 hsel。

其實，條件表達式類似于 2 路（或多路）選擇器，其描述方式完全可以用 if-else 語句代替。

當然條件操作符也能進行嵌套，完成一個多次選擇的邏輯。例如：

assign   hsel = (addr[9:8] == 2'b00) ? hsel_p1 :
                (addr[9:8] == 2'b01) ? hsel_p2 :
                (addr[9:8] == 2'b10) ? hsel_p3 :
                (addr[9:8] == 2'b11) ? hsel_p4 : 1'b0 ;