Verilog HDL基礎之：數(shù)據類型和運算符

常用數(shù)據類型

Verilog HDL中總共有19種數(shù)據類型，數(shù)據類型是用來表示數(shù)字電路硬件中的數(shù)據儲存和傳送元素的。在本書中，我們先只介紹4個最基本的數(shù)據類型，它們分別是：reg型，wire型，integer型和parameter型。

其他數(shù)據類型在后面的章節(jié)里逐步介紹，讀者也可以查閱附錄中Verilog HDL語法參考書的有關章節(jié)逐步掌握。其他的類型如下：large型、medium型、scalared型、time型、small型、tri型、trio型、tri1型、triand型、trior型、trireg型、vectored型、wand型和wor型。

這些數(shù)據類型除time型外都與基本邏輯單元建庫有關，與系統(tǒng)設計沒有很大的關系。在一般電路設計自動化的環(huán)境下，仿真用的基本部件庫是由半導體廠家和EDA工具廠家共同提供的。系統(tǒng)設計工程師不必過多地關心門級和開關級的Verilog HDL語法現(xiàn)象。Verilog HDL語言中也有常量和變量之分，它們分別屬于以上這些類型。下面對最常用的幾種進行介紹。

常量

常量是在程序運行過程中其值不能被改變的量。下面首先對在Verilog HDL語言中使用的數(shù)字及其表示方式進行介紹。

1．數(shù)字

（1）整數(shù)。

在Verilog HDL中，整型常量有以下4種進制表示形式。

① 二進制整數(shù)（b或B）。

② 十進制整數(shù)（d或D）。

③ 十六進制整數(shù)（h或H）。

④ 八進制整數(shù)（o或O）。

數(shù)字表達方式有以下3種。

① 位寬>進制>數(shù)字>，這是一種全面的描述方式。

② 進制>數(shù)字>，在這種描述方式中，數(shù)字的位寬采用缺省位寬（這由具體的機器系統(tǒng)決定，但至少32位）。

③ 數(shù)字>，在這種描述方式中，采用缺省進制十進制。

在表達式中，位寬指明了數(shù)字的精確位數(shù)。例如：一個4位二進制數(shù)數(shù)字的位寬為4，一個4位十六進制數(shù)數(shù)字的位寬為16（因為每單個十六進制數(shù)要用4位二進制數(shù)來表示），如下例所示：

8b10101100 //位寬為8的數(shù)的二進制表示，b表示二進制

8ha2 //位寬為8的數(shù)的十六進制，h表示十六進制。

（2）x和z值。

在數(shù)字電路中，x代表不定值，z代表高阻值。一個x可以用來定義十六/八/二進制數(shù)的四/三/一位二進制數(shù)的狀態(tài)。z的表示方式同x類似。z還有一種表達方式是可以寫作?。在使用case表達式時建議使用這種寫法，以提高程序的可讀性，如下例所示：

4b10x0 //位寬為4的二進制數(shù)從低位數(shù)起第二位為不定值

4b101z //位寬為4的二進制數(shù)從低位數(shù)起第一位為高阻值

12dz //位寬為12的十進制數(shù)其值為高阻值（第一種表達方式）

12d? //位寬為12的十進制數(shù)其值為高阻值（第二種表達方式）

8h4x //位寬為8的十六進制數(shù)其低四位值為不定值

（3）負數(shù)。

一個數(shù)字可以被定義為負數(shù)，只需在位寬表達式前加一個減號，并且減號必須寫在數(shù)字定義表達式的最前面。注意減號不可以放在位寬和進制之間，也不可以放在進制和具體的數(shù)之間，如下例所示：

-8d5 //這個表達式代表5的補數(shù)（用8位二進制數(shù)表示）

8d-5 //非法格式

（4）下劃線（underscore_）。

下劃線可以用來分隔數(shù)字的表達以提高程序可讀性。但不可以用在位寬和進制處，只能用在具體的數(shù)字之間，例如：

16b1010_1011_1111_1010 //合法格式

8b_0011_1010 //非法格式

當常量不聲明位數(shù)時，默認值是32位，每個字母用8位的ASCII值表示，例如：

10＝32d10＝32b1010 //十進制和二進制

1=32d1=32b1 //十進制和二進制

-1=-32d1=32hFFFFFFFF //十進制和十六進制

BX=32BX=32BXXXXXXX…X //默認聲明為32位

AB=16B01000001_01000010 //每個字母用8位表示

2．參數(shù)（Parameter）

在Verilog HDL中用parameter來定義常量，即用parameter來定義一個標識符代表一個常量，稱為符號常量，即標識符形式的常量。采用標識符代表一個常量可提高程序的可讀性和可維護性。parameter型數(shù)據是一種常數(shù)型的數(shù)據，其說明格式如下：

Parameter 參數(shù)名1＝表達式，參數(shù)名2＝表達式, …, 參數(shù)名n＝表達式;

parameter是參數(shù)型數(shù)據的確認符，確認符后跟著一個用逗號分隔開的賦值語句表。在每一個賦值語句的右邊必須是一個常數(shù)表達式。也就是說，該表達式只能包含數(shù)字或先前已定義過的參數(shù)，例如：

parameter msb=7; //定義參數(shù)msb為常量7

parameter e=25, f=29; //定義兩個常數(shù)參數(shù)

parameter r=5.7; //聲明r為一個實型參數(shù)

parameter byte_size=8, byte_msb=byte_size-1; //用常數(shù)表達式賦值

parameter average_delay = （r+f）/2; //用常數(shù)表達式賦值

參數(shù)型常數(shù)經常用于定義延遲時間和變量寬度。在模塊或實例引用時可通過參數(shù)傳遞改變在被引用模塊或實例中已定義的參數(shù)。下面將通過一個例子進一步說明在層次調用的電路中改變參數(shù)常用的一些用法。

module Decode（A,F）; //模塊聲明

parameter Width=1, Polarity=1; //參數(shù)聲明

……………

endmodule

module Top;

wire［3:0］ A4; //連線資源聲明

wire［4:0］ A5;

wire［15:0］ F16;

wire［31:0］ F32;

Decode #（4,0） D1（A4,F16）; //模塊引用，并傳遞參數(shù)（4,0）

Decode #（5） D2（A5,F32）; //模塊引用，并傳遞參數(shù)（5）

endmodule

在引用Decode實例時，D1和D2的Width將采用不同的值，分別為4和5，且D1的Polarity將為0。可用例子中所用的方法來改變參數(shù)，即用“#（4，0）”向D1中傳遞“Width=4，Polarity=0”，用“#（5）”向D2中傳遞“Width=5，Polarit=1”。

變量

變量是在程序運行過程中，其值可以改變的量。在Verilog HDL中變量類型有很多種，這里只對常用的幾種變量進行介紹。

1．網絡類型變量

網絡類型表示結構實體（例如門）之間的物理連接。網絡類型的變量不能儲存值，而且它必需受到驅動器（例如門或連續(xù)賦值語句，assign）的驅動。如果沒有驅動器連接到網絡類型的變量上，則該變量就是高阻的，即其值為z。

常用的網絡類型變量包括wire型和tri型。這兩種變量都是用于連接器件單元，它們具有相同的語法格式和功能。之所以提供這兩種名字來表達相同的概念是為了與模型中所使用的變量的實際情況相一致。

wire型變量通常是用來表示單個門驅動或連續(xù)賦值語句驅動的網絡型數(shù)據，tri型變量則用來表示多驅動器驅動的網絡型數(shù)據。如果wire型或tri型變量沒有定義邏輯強度（logic strength），在多驅動源的情況下，邏輯值會發(fā)生沖突，從而產生不確定值。

表1所示為在同等驅動強度下，兩個驅動源驅動的wire型和tri型變量的真值表。

表1 wire/tri型變量真值表

wire型變量常用來表示用于以assign關鍵字指定的組合邏輯信號。Verilog程序模塊中輸入/輸出信號類型缺省時自動定義為wire型。wire型變量可以用作任何方程式的輸入，也可以用作“assign”語句或實例元件的輸出。wire型變量的聲明格式如下：

wire ［n-1:0］ 變量名1,變量名2,…,變量名i; //共有i條總線，每條總線內有n條線路

也可以如下表示：

wire ［n:1］ 變量名1,變量名2,…,變量名i; //共有i條總線，每條總線內有n條線路

其中，wire是wire型變量的確認符，［n-1:0］和［n:1］代表該變量的位寬，即該變量有幾位，最后跟著的是變量的名字。如果一次定義多個變量，變量名之間用逗號隔開。聲明語句的最后要用分號表示語句結束。如下所示：

wire a; //定義了一個一位的wire型變量

wire ［7:0］ b; //定義了一個八位的wire型變量

wire ［4:1］ c, d; //定義了兩個四位的wire型變量

2．寄存器型變量

寄存器是數(shù)據儲存單元的抽象。寄存器型變量的關鍵字是reg。通過賦值語句可以改變寄存器儲存的值，其作用與改變觸發(fā)器儲存的值相當。

Verilog HDL語言提供了功能強大的結構語句使設計者能有效地控制是否執(zhí)行這些賦值語句。這些控制結構用來描述硬件觸發(fā)條件，例如時鐘的上升沿和多路器的選通信號。reg類型變量的缺省初始值為不定值，即x。

reg型變量常用來表示用于“always”模塊內的指定信號，常代表觸發(fā)器。通常，在設計中要由“always”塊通過使用行為描述語句來表達邏輯關系。在“always”塊內被賦值的每一個信號都必須定義成reg型。和wire型變量類似，reg型變量的聲明格式如下：

reg ［n-1:0］ 變量名1,變量名2,…,變量名i; //共有i條總線，每條總線內有n條線路

也可以如下表示：

reg ［n:1］ 變量名1,變量名2,…,變量名i; //共有i條總線，每條總線內有n條線路

其中，reg是reg型變量的確認標識符，［n-1:0］和［n:1］代表該變量的位寬，即該變量有幾位（bit），最后跟著的是變量的名字。如果一次定義多個變量，變量名之間用逗號隔開。聲明語句的最后要用分號表示語句結束。如下所示：

reg rega; //定義了一個一位的名為rega的reg型變量

reg ［3:0］ regb; //定義了一個四位的名為regb的reg型變量

reg ［4:1］ regc, regd; //定義了兩個四位的名為regc和regd的reg型變量

reg型變量可以賦正值，也可以賦負值。但當一個reg型變量是一個表達式中的操作數(shù)時，它的值將被當作是無符號值，即正值。例如：當一個四位的寄存器用作表達式中的操作數(shù)時，如果開始寄存器被賦以值-1，則在表達式中進行運算時，其值被認為是+15。

3．存儲器型變量

Verilog HDL通過對reg型變量建立數(shù)組來對存儲器建模，用于描述RAM型存儲器、ROM存儲器和reg文件。數(shù)組中的每一個單元通過一個數(shù)組索引進行尋址。由于在Verilog語言中沒有多維數(shù)組存在，因此memory型數(shù)據是通過擴展reg型數(shù)據的地址范圍來生成的。其格式如下：

reg ［n-1:0］ 存儲器名［m-1:0］;

或：

reg ［n-1:0］ 存儲器名［m:1］;

在這里，reg［n-1:0］定義了存儲器中每一個存儲單元的大小，即該存儲單元是一個n位的寄存器。存儲器名后的［m-1:0］或［m:1］則定義了該存儲器中有多少個這樣的寄存器。最后用分號結束定義語句。下面舉例說明：

reg ［7:0］ mema［255：0］; //定義一個名為mema的256×8的存儲器

這個例子定義了一個名為mema的存儲器，該存儲器有256個8位的存儲器。該存儲器的地址范圍是0～255。需要注意的是，對存儲器進行地址索引的表達式必須是常數(shù)表達式。

另外，在同一個數(shù)據類型聲明語句里，可以同時定義存儲器型數(shù)據和reg型數(shù)據。 例如：

parameter wordsize=16, memsize=256; //定義兩個參數(shù)

reg ［wordsize-1:0］ mem［memsize-1:0］,writereg, readreg; //使用可變參數(shù)來定義存儲器

盡管memory型數(shù)據和reg型數(shù)據的定義格式很相似，但要注意其不同之處。如一個由n個1位寄存器構成的存儲器組是不同于一個n位的寄存器的，如下所示：

reg ［n-1:0］ rega; //一個n位的寄存器

reg mema ［n-1:0］; //一個由n個1位寄存器構成的存儲器組

一個n位的寄存器可以在一條賦值語句里進行賦值，而一個完整的存儲器則不行，例如：

rega =0; //合法賦值語句

mema =0; //非法賦值語句

如果想對memory中的存儲單元進行讀寫操作，必須指定該單元在存儲器中的地址。下面的寫法是正確的。

mema［3］=0; //給memory中的第3個存儲單元賦值為0。

進行尋址的地址索引可以是表達式，這樣就可以對存儲器中的不同單元進行操作。表達式的值可以取決于電路中其他的寄存器的值。例如可以用一個加法計數(shù)器來做RAM的地址索引。

常用運算符

Verilog HDL語言的運算符范圍很廣，其運算符按其功能可分為以下幾類。

• 算術運算符：（+,－,×，/,%）。
• 賦值運算符：（=,=）。
• 關系運算符：（>,,>=,=）。
• 邏輯運算符：（,||,!）。
• 條件運算符：（?:）。
• 位運算符：（～,|,^,,^～）。
• 移位運算符：（,>>）。
• 拼接運算符：（{ }）。
• 其他

在Verilog HDL語言中運算符所帶的操作數(shù)是不同的，按其所帶操作數(shù)的個數(shù)運算符可分為以下3種。

單目運算符（unary operator）：可以帶一個操作數(shù)，操作數(shù)放在運算符的右邊。

二目運算符（binary operator）：可以帶兩個操作數(shù)，操作數(shù)放在運算符的兩邊。

三目運算符（ternary operator）：可以帶三個操作數(shù)，這三個操作數(shù)用三目運算符分隔開。

例如：

clock = ～clock; // ～ 是一個單目取反運算符,clock是操作數(shù)。

c = a | b; // | 是一個二目按位或運算符,a 和 b是操作數(shù)。

r = s ? t : u; // ?: 是一個三目條件運算符,s，t，u是操作數(shù)。

下面對常用的幾種運算符進行介紹。

1．基本的算術運算符

在Verilog HDL語言中，算術運算符又稱為二進制運算符，共有下面幾種。

• +：（加法運算符或正值運算符,如ega+regb、+3）。
• −：（減法運算符或負值運算符，如rega−3、−3）。
• ´：（乘法運算符，如rega´3）。
• /：（除法運算符，如5/3）。
• % ：（模運算符或求余運算符，要求%兩側均為整型數(shù)據，如7%3的值為1）。

在進行整數(shù)除法運算時，結果值要略去小數(shù)部分，只取整數(shù)部分。而進行取模運算時，結果值的符號位采用模運算式里第一個操作數(shù)的符號位，例如：

10%3 1 //余數(shù)為1

11%3 2 //余數(shù)為2

12%3 0 //余數(shù)為0，即無余數(shù)

-10%3 -1 //結果取第一個操作數(shù)的符號位,所以余數(shù)為-1

11%3 2 //結果取第一個操作數(shù)的符號位,所以余數(shù)為2.

2．位運算符

Verilog HDL作為一種硬件描述語言是針對硬件電路而言的。在硬件電路中信號有4種狀態(tài)值1、0、x和z。在電路中信號進行與或非時，反映在Verilog HDL中則是相應的操作數(shù)的位運算。Verilog HDL提供了以下5種位運算符。

• ～ ：（取反）
• ：（按位與）
• | ：（按位或）
• ^ ：（按位異或）
• ^～：（按位同或（異或非））

說明：

• 位運算符中除了～是單目運算符以外，均為二目運算符,即要求運算符兩側各有一個操作數(shù)。
• 位運算符中的二目運算符要求對兩個操作數(shù)的相應位進行運算操作。

下面對各運算符分別進行介紹。

“取反”運算符～

～是一個單目運算符，用來對一個操作數(shù)進行按位取反運算。如表2所示為單目運算符～的運算規(guī)則表。

表2 ～ 運算規(guī)則表

舉例說明：

rega=b1010; //rega的初值為b1010

rega=～rega; //rega的值進行取反運算后變?yōu)閎0101

“按位與”運算符

按位與運算就是將兩個操作數(shù)的相應位進行與運算，其運算規(guī)則如表3所示。

表3 運算規(guī)則表

“按位或”運算符 |

按位或運算就是將兩個操作數(shù)的相應位進行或運算，其運算規(guī)則如表4所示。

表4 | 運算規(guī)則表

“按位異或”運算符^（也稱之為XOR運算符）

按位異或運算就是將兩個操作數(shù)的相應位進行異或運算，其運算規(guī)則如表5所示。

表5 ^ 運算規(guī)則表

“按位同或”運算符^～

按位同或運算就是將兩個操作數(shù)的相應位先進行異或運算再進行非運算，其運算規(guī)則如表6所示。

表6 ^～ 運算規(guī)則表

不同長度的數(shù)據進行位運算

兩個長度不同的數(shù)據進行位運算時，系統(tǒng)會自動將兩者按右端對齊。位數(shù)少的操作數(shù)會在相應的高位用0填滿，以使兩個操作數(shù)按位進行操作。

3．邏輯運算符

在Verilog HDL語言中存在3種邏輯運算符。

• ：（邏輯與）
• ||：（邏輯或）
• ! ：（邏輯非）

“”和“||”是二目運算符，它要求有兩個操作數(shù)，如（a>b）（b>c），（ab）||（bc）。“!”是單目運算符，只要求一個操作數(shù)，如!（a>b）。如表7所示為邏輯運算的真值表。它表示當a和b的值為不同的組合時，各種邏輯運算所得到的值。

表7 邏輯運算真值表

邏輯運算符中“”和“||”的優(yōu)先級別低于關系運算符，“!”的優(yōu)先級別高于算術運算符，例如。

（a>b）（x>y） 可寫成: a>b x>y

（a==b）||（x==y） 可寫成: a==b || x==y

（!a）||（a>b） 可寫成: !a || a>b

為了提高程序的可讀性，明確表達各運算符間的優(yōu)先關系，建議使用括號。

4．關系運算符

關系運算符共有以下4種。

• a b：（a小于b）
• a > b：（a大于b）
• a = b：（a小于或等于b）
• a >= b：（a大于或等于b）

在進行關系運算時，如果聲明的關系是假的（flase），則返回值是0；如果聲明的關系是真的（true），則返回值是1；如果某個操作數(shù)的值不定，則關系是模糊的，返回值是不定值。

所有的關系運算符有著相同的優(yōu)先級別。關系運算符的優(yōu)先級別低于算術運算符的優(yōu)先級別，例如。

a size-1 //這種表達方式等同于下面一行的表達方式

a （size-1）

size - （1 a） //這種表達方式不等同于下面一行的表達方式

size - 1 a

從上面的例子可以看出這兩種不同運算符的優(yōu)先級別。當表達式size -（1a）進行運算時，關系表達式先被運算，然后返回結果值0或1被size減去。而當表達式 size -1a 進行運算時，size先被減去1，然后再同a相比。

5．等式運算符

在Verilog HDL語言中存在4種等式運算符。

• = =：（等于）
• != ：（不等于）
• = = =：（等于）
• != =：（不等于）

這4個運算符都是二目運算符，它要求有兩個操作數(shù)。“= =”和“!=”又稱為邏輯等式運算符，其結果由兩個操作數(shù)的值決定。由于操作數(shù)中某些位可能是不定值x和高阻值z，結果可能為不定值x。

“= = =”和“!= =”運算符則不同，它在對操作數(shù)進行比較時，對某些位的不定值x和高阻值z也進行比較。兩個操作數(shù)必需完全一致，其結果才是1，否則為0。“= = =”和“!= =”運算符常用于case表達式的判別，所以又稱為“case等式運算符”。

這4個等式運算符的優(yōu)先級別是相同的。下面畫出“= =”與“= = =”的真值表，幫助理解兩者間的區(qū)別。

表8 等式運算符真值表

下面舉一個例子說明“= =”與“= = =”的區(qū)別。

if（A==1’bx） $display（ AisX ）; //當A等于X時，這個語句不執(zhí)行

if（A===1’bx） $display（ AisX ）; //當A等于X時，這個語句執(zhí)行

6．移位運算符

在Verilog HDL中有兩種移位運算符。

：（左移位運算符）

>>：（右移位運算符）

其使用方法如下：

a >> n;

a n;

a代表要進行移位的操作數(shù)，n代表要移幾位。這兩種移位運算都用0來填補移出的空位。下面舉例說明：

module shift;

reg ［3:0］ start, result;

initial begin

start = 1; //start在初始時刻設為值0001

result = （start2）; //移位后，start的值0100，然后賦給result

end

endmodule

從上面的例子可以看出，start在移過兩位以后，用0來填補空出的位。進行移位運算時應注意移位前后變量的位數(shù)，下面舉例說明。

4’b10011 = 5’b10010; //左移1位后用0填補低位

4’b10012 = 6’b100100; //左移2位后用00填補低位

16 = 32’b1000000; //左移6位后用000000填補低位

4’b1001>>1 = 4’b0100; //右移1位后，低1位丟失，高1位用0填補

4’b1001>>4 = 4’b0000; //右移4位后，低4位丟失，高4位用0填補

7．位拼接運算符（Concatation）

在Verilog HDL語言有一個特殊的運算符：位拼接運算符{}。用這個運算符可以把兩個或多個信號的某些位拼接起來進行運算操作。其使用方法如下：

{信號1的某幾位，信號2的某幾位，..，..，信號n的某幾位}

即把某些信號的某些位詳細地列出來，中間用逗號分開，最后用大括號括起來表示一個整體信號，例如：

{a,b［3:0］,w,3’b101}

也可以寫成為：

{a,b［3］,b［2］,b［1］,b［0］,w,1’b1,1’b0,1’b1}

在位拼接表達式中不允許存在沒有指明位數(shù)的信號。這是因為在計算拼接信號的位寬的大小時必需知道其中每個信號的位寬。

位拼接也可以用重復法來簡化表達式，如下所示：

{4{w}} //等同于{w,w,w,w}

位拼接還可以用嵌套的方式來表達，如下所示：

{b,{3{a,b}}} //等同于{b,a,b,a,b,a,b}

用于表示重復的表達式必須是常數(shù)表達式，如上例中的4和3。

8．縮減運算符（reduction operator）

縮減運算符是單目運算符,也有與、或、非運算。其與、或、非運算規(guī)則類似于位運算符的與、或、非運算規(guī)則,但其運算過程不同。位運算是對操作數(shù)的相應位進行與、或、非運算,操作數(shù)是幾位數(shù)，則運算結果也是幾位數(shù)。而縮減運算則不同,縮減運算是對單個操作數(shù)進行與、或、非遞推運算,最后的運算結果是一位的二進制數(shù)。

縮減運算的具體運算過程如下。

（1）先將操作數(shù)的第一位與第二位進行與、或、非運算。

（2）將運算結果與第三位進行與、或、非運算，依次類推，直至最后一位。

例如：

reg ［3:0］ B;

reg C;

C = B;

相當于：

C =（ （ B［0］B［1］ ） B［2］ ） B［3］;

由于縮減運算的與、或、非運算規(guī)則類似于位運算符與、或、非運算規(guī)則，這里不再詳細講述，可參照位運算符的運算規(guī)則介紹。

9．優(yōu)先級別

各種運算符的優(yōu)先級別關系如表9所示。

表9 運算符優(yōu)先級別表